一种快速降低电子烟烟气温度的复合相变材料及其制备方法、电子烟

技术领域

本申请涉及电子烟生产技术领域，更具体地说，它涉及一种快速降低电子烟烟气温度的复合相变材料及其制备方法、电子烟。

背景技术

电子烟具有与卷烟相同的烟雾、味道，并且相对于卷烟来说，更加安全，其电子烟液经过提取，有害物质含量也更低，因此，电子烟越来越受到烟民的欢迎。

电子烟一般包括雾化模块、电源模块、电气模块，雾化模块采用雾化器加热雾化使电子烟液变成蒸汽（烟气）。为了使烟气的口感更加接近卷烟的烟气口感，满足抽烟者的愉悦感和心理习惯，一般需要控制烟气的温度为50℃左右。由于电子烟的雾化器中加热雾化时的温度非常高，产生的烟气的温度不稳定，为了控制烟气的温度，通常会在雾化模块的热管内加入相变材料，对烟气温度进行调节。

相变材料的种类较多，但是相变材料的相变温度有高有低，有些相变材料在发生相变时，温度变化幅度还非常大，并不适合于电子烟使用。温度调节稳定性好的相变材料一般采用多种成分复合制成，如采用凝胶材料与石蜡、石墨烯复合，这种相变材料的温度调节敏感性较强。

针对上述相关技术，发明人认为传统的相变复合材料的温度调节稳定性仍然有待提高，无法很好地适应电子烟的需求。

发明内容

为了提高相变材料的温度调节稳定性，本申请提供一种快速降低电子烟烟气温度的复合相变材料及其制备方法、电子烟。

第一方面，本申请提供的一种快速降低电子烟烟气温度的复合相变材料采用如下的技术方案：

一种快速降低电子烟烟气温度的复合相变材料，由包括如下重量份的原料制成：海藻酸钠2-5份、氮化硅2-5份、石墨烯1-2份、相变控温剂15-25份、润湿剂0.2-0.4份、表面活性剂0.02-0.05份；

相变控温剂为聚乙二醇、十六醇、四硼酸钠、氯化钙、磷酸氢钠、磷酸氢钾中的至少一种。

通过采用上述技术方案，本申请的复合相变材料的原料中，海藻酸钠作为凝胶材料，向其中加入了石墨烯作为导热剂，石墨烯分散在复合相变材料中，能够使热量快速分布在复合相变材料中，在此基础上加入氮化硅后，氮化硅除了具有较高的导热性能外，还具有非常低的热膨胀系数，在复合相变材料发生相变时，膨胀率非常小，在空间相对较小的热管内能够减少体积变化对元件的影响，更重要的是，在相变材料反复发生多次相变循环后，氮化硅的导热性能仍能保持非常高的稳定性，进而提高了复合相变材料的稳定性。石墨烯和氮化硅配合，能够大幅度提高复合相变材料对烟气的快速降温能力。

优选的，所述相变控温剂由有机相变控温剂和无机相变控温剂以质量比5-10:10-15组成，有机相变控温剂为聚乙二醇、十六醇中的至少一种，无机相变控温剂为四硼酸钠、氯化钙、磷酸氢钠、磷酸氢钾中的至少一种。

通过采用上述技术方案，本申请的相变控温剂采用了有机相变控温剂和无机相变控温剂协同作用，既保证了相变材料的流动性，又保证了相变材料具有较高的蓄热能力，能够更好地适应电子烟的烟气出现的温度突然升高的情况，进一步提高复合相变材料的控温稳定性。

优选的，所述相变控温剂由聚乙二醇、十六醇、十水四硼酸钠、六水氯化钙、十二水磷酸氢钠以质量比4:4:6:2:4组成。

通过采用上述技术方案，相变控温剂采用聚乙二醇和十六醇作为有机相变控温剂，其中十六醇在经历连续相变循环后，不容易出现分层现象，稳定性更高。十水四硼酸钠蓄热能力强，而且在加入复合相变材料后，作为成核剂，有利于生成交联程度更强的凝胶结构，进一步促进复合相变材料的稳定性。六水氯化钙能够促进海藻酸钠形成结构复杂的胶体结构，十二水磷酸氢钠是一种低温结晶水合盐，潜热高、导热系数高、储能密度高，与其他相变控温剂结合使用，不仅可以提高蓄热能力，还可以提高相变控温剂的温度适应范围。按照上述比例混合后的相变控温剂，对温度的适应能力强，蓄热性能好，而且在相变循环过程中具有非常高的稳定性。

优选的，所述表面活性剂为有机硅表面活性剂、聚氧乙烯表面活性剂中的至少一种。

通过采用上述技术方案，上述表面活性剂能提高相变控温剂与其他原料之间的分散均匀性，进而提高复合相变材料的整体均匀性，进一步提高相变稳定性。

第二方面，本申请提供的一种快速降低电子烟烟气温度的复合相变材料的制备方法采用如下的技术方案：

一种上述的快速降低电子烟烟气温度的复合相变材料的制备方法，包括如下步骤：

1）将氮化硅与石墨烯混合均匀，制得导热组分；

将海藻酸钠与水混合均匀，制得水凝胶组分；

2）将导热组分、水凝胶组分、相变控温剂混合均匀，冷冻、解冻，脱水，即得。

通过采用上述技术方案，先将氮化硅与石墨烯混合均匀后制得导热组分，这样将导热组分再加入水凝胶组分中后，氮化硅和石墨烯都能够在水凝胶中分散得更加均匀。而将导热组分、水凝胶组分、相变控温剂混合均匀后进行冷冻、解冻，能够使水凝胶通过相变结晶过程的反复变化进一步促进导热组分和相变控温剂在凝胶结构中的分布均匀性。

优选的，步骤1）中将海藻酸钠与水混合均匀后再加入润湿剂混合均匀，制得所述水凝胶组分。

通过采用上述技术方案，在将海藻酸钠与水混合制备水凝胶时，加入润湿剂，可以提高海藻酸钠的亲水性，制得的水凝胶具有更加复杂的三维网络结构，交联程度更高。

优选的，步骤2）中相变控温剂包括聚乙二醇、十六醇、十水四硼酸钠、六水氯化钙、十二水磷酸氢钠，相变控温剂与导热组分、水凝胶组分混合均匀前，先将聚乙二醇、十六醇、十水四硼酸钠、六水氯化钙、十二水磷酸氢钠混合均匀，然后加热至50-60℃混合均匀。

通过采用上述技术方案，在相变控温剂采用有机相变控温剂与无机相变控温剂协同使用时，将相变控温剂的几种成分先进行混合，便于使有机材料与无机材料先混合均匀，再在水凝胶中分散后，也仍能保持有机相变控温剂和无机相变控温剂之间的均匀，保证二者之间的协同作用充分实现。

优选的，步骤2）中将导热组分、水凝胶组分、相变控温剂混合均匀是先将导热组分和相变控温剂混合均匀，然后再与水凝胶组分混合均匀。

通过采用上述技术方案，导热组分和相变控温剂中均存在较多的无机颗粒料，而水凝胶的粘性较大，前两种组分直接加入水凝胶中会容易导致粉体在局部聚集引起这两种组分之间的分散均匀程度受影响，将二者先进行混合，能够提高复合相变材料各个部位的一致性。

优选的，步骤2）中将导热组分、水凝胶组分、相变控温剂混合均匀后进行静置脱泡后再进行冷冻、解冻。

通过采用上述技术方案，静置脱泡可以充分除去复合相变材料中的气体，减少了混入的气体对导热效率的影响。

第三方面，本申请提供的一种电子烟采用如下的技术方案：

一种电子烟，包括壳体以及设置在壳体内的雾化器模块，所述雾化模块包括热管，所述热管内设置有上述的快速降低电子烟烟气温度的复合相变材料。

通过采用上述技术方案，本申请的电子烟采用上述复合相变材料，具有非常高的烟气温度调节稳定性，使电子烟的烟气温度均衡，口感更好。

综上所述，本申请具有以下有益效果：

1、本申请的快速降低电子烟烟气温度的复合相变材料采用石墨烯和氮化硅作为导热组分，不仅可以快速降低电子烟烟气温度，而且能够提高复合相变材料的相变稳定性，使电子烟烟气温度更加均匀，口感更好，舒适度更高。

2、本申请的快速降低电子烟烟气温度的复合相变材料在制备时，先将氮化硅和石墨烯混合制成导热组分，将海藻酸钠制成水凝胶后，再将导热组分和相变控温剂加入，能够提高复合相变材料的均匀性，进一步增加复合相变材料的相变稳定性。

附图说明

图1是本申请的对比例1的快速降低电子烟烟气温度的复合相变材料的烟气降温性能曲线。

图2是本申请的实施例1的快速降低电子烟烟气温度的复合相变材料的烟气降温性能曲线。

图3是本申请的实施例2的快速降低电子烟烟气温度的复合相变材料的烟气降温性能曲线。

图4是本申请的实施例3的快速降低电子烟烟气温度的复合相变材料的烟气降温性能曲线。

图5是本申请的实施例6的快速降低电子烟烟气温度的复合相变材料的烟气降温性能曲线。

图6是本申请的实施例7的快速降低电子烟烟气温度的复合相变材料的烟气降温性能曲线。

图7是本申请的实施例8的快速降低电子烟烟气温度的复合相变材料的烟气降温性能曲线。

图8是本申请的实施例9的快速降低电子烟烟气温度的复合相变材料的烟气降温性能曲线。

图9是本申请的实施例10的快速降低电子烟烟气温度的复合相变材料的烟气降温性能曲线。

具体实施方式

以下结合实施例对本申请作进一步详细说明。

本申请的快速降低电子烟烟气温度的复合相变材料的制备原料中，有机相变控温剂由聚乙二醇、十六醇、十六酸中的至少两种组成。在实际实验过程中发现，聚乙二醇和十六醇的控温效果略优于十六酸。因此，进一步优选的，有机相变控温剂由聚乙二醇和十六醇组成。进一步优选的，聚乙二醇与十六醇的质量比为1:1。无机相变控温剂由十水四硼酸钠、六水氯化钙、十二水磷酸氢钠、磷酸氢钾、磷酸二氢钠中的至少三种组成。十水四硼酸钠、六水氯化钙、十二水磷酸氢钠的控温效果略优于磷酸氢钾和磷酸二氢钠，因此，进一步优选的，无机相变控温剂由十水四硼酸钠、六水氯化钙、十二水磷酸氢钠组成。进一步优选的，十水四硼酸钠、六水氯化钙、十二水磷酸氢钠的质量比为6:2:4。

相变控温剂由有机相变控温剂和无机相变控温剂以质量比8:12组成。

润湿剂为DOWSIL dc-67、Span60中的至少一种。优选的，润湿剂由DOWSIL dc-67、Span60以质量比1-1.5:1-2.5组成。优选的，润湿剂由DOWSIL dc-67、Span60以质量比1:2组成。

表面活性剂为有机硅表面活性剂、聚氧乙烯表面活性剂中的至少一种，聚氧乙烯表面活性剂优选为烷基酚聚氧乙烯表面活性剂，进一步优选的，聚氧乙烯表面活性剂为OP-10。优选的，有机硅表面活性剂为聚硅氧烷磷酸酯甜菜碱两性表面活性剂。进一步优选的，表面活性剂由有机硅表面活性剂、聚氧乙烯表面活性剂以质量比1:1组成。

聚乙二醇为PEG10000、PEG6000中的任意一种。

优选的，氮化硅的粒度为1-2μm。进一步优选的，氮化硅的粒径为1μm。石墨烯的粒度为0.2-10μm。进一步优选的，石墨烯的粒径为2μm。

本申请的快速降低电子烟烟气温度的复合相变材料的制备方法中，将海藻酸钠与水混合均匀时，海藻酸钠与水的质量比为3-8:180-220。将海藻酸钠与水混合均匀是以500rpm的转速高速搅拌5-7h。

将导热组分、水凝胶组分、相变控温剂混合均匀是先将导热组分和相变控温剂混合均匀，然后再与水凝胶组分混合均匀，与水凝胶混合均匀是在55-65℃下搅拌5-8h。

将导热组分、水凝胶组分、相变控温剂混合均匀后进行静置脱泡后再进行冷冻、解冻，静置脱泡是在55-70℃静置脱泡20-40min。冷冻是在-15～-20℃下冷冻10-15h。解冻是在常温下静置5-8h。

脱水是冷冻干燥进行脱水。脱水后进行粉碎、过筛。过筛是过100目筛。

实施例1

本实施例的快速降低电子烟烟气温度的复合相变材料由如下重量的原料制成：海藻酸钠2.44g、氮化硅3g、石墨烯1g、十水四硼酸钠6g、六水氯化钙2g、十二水磷酸氢钠4g、十六醇4g、PEG 6000 4g、润湿剂0.3g、表面活性剂OP-10 0.024g、水100g。

其中，润湿剂由DOWSIL dc-67、Span60以质量比1:2组成。氮化硅的粒径为1μm，石墨烯的粒径为2μm。

本实施例的快速降低电子烟烟气温度的复合相变材料的制备方法包括如下步骤：

1）相变温控组分制备

将6g十水四硼酸钠、2g六水氯化钙、4g十二水磷酸氢钠、4g十六醇、4g PEG 6000加入高速混合器混合均匀，然后加热到55℃搅拌溶解，记作相变温控组分A；

2）水凝胶胶囊制备

在500mL的反应容器中加入200g水，然后加入5g海藻酸钠，常温下以500rpm的转速搅拌6h，然后向其中加入0.1g DOWSIL DC-67、0.2g Span 60继续以该转速搅拌混合均匀，配制得到质量分数为2.5%的海藻酸钠溶胶液，记作水凝胶组分B；

3）导热组分制备

称取1g石墨烯、3g氮化硅超细粉末高速搅拌混合均匀，记作导热组分C；

4）快速降温相变材料制备

将相变温控组分A和导热组分C高速共混使其混合均匀后加入100g水凝胶组分B中，同时加入0.05g 表面活性剂OP-10，然后在60℃温度下搅拌6h；然后再在60℃下静置脱泡30min；

然后将静置脱泡后的均匀分散体系倒入不锈钢模具中，在-20℃环境下冷冻12h，室温下解冻6h；以此“冷冻-解冻”的步骤为一个循环，再进行4个循环后得到海藻酸钠交联凝胶体系，然后进行冷冻干燥除去水，再粉碎过筛得到100目的颗粒，即为快速降低电子烟烟气温度的复合相变材料。

本实施例的电子烟包括壳体以及设置在壳体内的雾化模块和电气模块，雾化模块包括雾化器、储液仓、烟雾气流通道、热管，热管内填充有相变材料，该相变材料为上述快速降低电子烟烟气温度的复合相变材料。

实施例2

本实施例与实施例1的区别之处在于，快速降低电子烟烟气温度的复合相变材料由如下重量的原料制成：海藻酸钠2g、氮化硅2g、石墨烯1g、十水四硼酸钠5g、六水氯化钙1.5g、十二水磷酸氢钠3g、十六醇2.5g、PEG 6000 3g、润湿剂0.3g、表面活性剂OP-100.024g、水100g。

其他的均与实施例1中的相同。

实施例3

本实施例与实施例1的区别之处在于，快速降低电子烟烟气温度的复合相变材料由如下重量的原料制成：海藻酸钠4g、氮化硅5g、石墨烯2g、十水四硼酸钠7g、六水氯化钙3g、十二水磷酸氢钠5g、十六醇5g、PEG 6000 5g、润湿剂0.3g、表面活性剂OP-10 0.024g、水100g。

其他的均与实施例1中的相同。

实施例4

本实施例与实施例1的区别之处在于，快速降低电子烟烟气温度的复合相变材料由如下重量的原料制成：海藻酸钠2.44g、氮化硅3g、石墨烯1g、十水四硼酸钠6g、润湿剂0.3g、表面活性剂OP-10 0.024g、水1100g。

其他的均与实施例1中的相同。

实施例5

本实施例与实施例1的区别之处在于，快速降低电子烟烟气温度的复合相变材料由如下重量的原料制成：海藻酸钠2.44g、氮化硅3g、石墨烯1g、十水四硼酸钠6g、PEG 60004g、润湿剂0.3g、表面活性剂OP-10 0.024g、水100g。

其他的均与实施例1中的相同。

实施例6

本实施例与实施例1的区别之处在于，润湿剂为DOWSIL dc-67，表面活性剂为聚硅氧烷磷酸酯甜菜碱两性表面活性剂与OP-10以质量比1:1混合组成。

其他的均与实施例1中的相同。

实施例7

本实施例与实施例1的区别之处在于，快速降低电子烟烟气温度的复合相变材料的制备方法包括如下步骤：

1）相变温控组分制备

将上述十水四硼酸钠、六水氯化钙、十二水磷酸氢钠、十六醇、PEG 6000加入高速混合器混合均匀，加热到50℃搅拌溶解，记作相变温控组分A；

2）水凝胶胶囊制备

在500mL的反应容器中加入200g水，然后加入海藻酸钠，常温下搅拌5h，然后向其中加入DOWSIL DC-67、Span 60继续搅拌混合均匀，配制得到海藻酸钠溶胶液，记作水凝胶组分B；

3）导热组分制备

将石墨烯、氮化硅超细粉末高速混合均匀，记作导热组分C；

4）快速降温凝胶制备

将相变温控组分A和导热组分C高速共混使其混合均匀后加入100g水凝胶组分B中，同时加入OP-10，然后在65℃温度下搅拌5h；然后再在65℃下静置脱泡20min。

然后将静置脱泡后的均匀分散体系倒入不锈钢模具中，在-15℃环境下冷冻15h，室温下解冻5h；以此“冷冻-解冻”的步骤为一个循环，再进行3个循环后得到海藻酸钠交联凝胶体系，然后进行冷冻干燥除去水，再粉碎过筛得到100目的颗粒，即为快速降低电子烟烟气温度的复合相变材料。

其他的均与实施例1中的相同。

实施例8

本实施例与实施例1的区别之处在于，快速降低电子烟烟气温度的复合相变材料的制备方法包括如下步骤：

1）相变温控组分制备

将上述十水四硼酸钠、六水氯化钙、十二水磷酸氢钠、十六醇、PEG 6000加入高速混合器混合均匀，加热到60℃搅拌溶解，记作相变温控组分A；

2）水凝胶胶囊制备

在500mL的反应容器中加入200g水，然后加入海藻酸钠，常温下搅拌7h，然后向其中加入DOWSIL DC-67、Span 60继续搅拌混合均匀，配制得到海藻酸钠溶胶液，记作水凝胶组分B；

3）导热组分制备

将石墨烯、氮化硅超细粉末高速混合均匀，记作导热组分C；

4）快速降温凝胶制备

将相变温控组分A和导热组分C高速共混使其混合均匀后加入100g水凝胶组分B中，同时加入OP-10，然后在55℃温度下搅拌8h；然后再在55℃下静置脱泡40min。

然后将静置脱泡后的均匀分散体系倒入不锈钢模具中，在-20℃环境下冷冻10h，室温下解冻5h；以此“冷冻-解冻”的步骤为一个循环，再进行5个循环后得到海藻酸钠交联凝胶体系，然后进行冷冻干燥除去水，再粉碎过筛得到100目的颗粒，即为快速降低电子烟烟气温度的复合相变材料。

其他的均与实施例1中的相同。

实施例9

本实施例与实施例1的不同之处在于，快速降低电子烟烟气温度的复合相变材料的制备方法包括如下步骤：

1）水凝胶胶囊制备

在500mL的反应容器中加入200g水，然后加入5g海藻酸钠，常温下搅拌6h，然后向其中加入0.1g DOWSIL DC-67、0.2g Span 60混合，配制得到质量分数为2.5%的海藻酸钠溶胶液，记作水凝胶组分B；

2）导热组分制备

称取1g石墨烯、3g氮化硅超细粉末高速混合均匀，记作导热组分C；

3）快速降温凝胶制备

将将十水四硼酸钠、六水氯化钙、十二水磷酸氢钠、十六醇、PEG 6000和导热组分C高速共混使其混合均匀后加入100g水凝胶组分B中，同时加入表面活性剂OP-10，然后在60℃温度下搅拌6h；然后再在60℃下静置脱泡30min。

其他的均与实施例1中的相同。

实施例10

本实施例与实施例1的不同之处在于，快速降低电子烟烟气温度的复合相变材料的制备方法的步骤2）中，在500mL的反应容器中加入200g水，然后加入5g海藻酸钠、0.1gDOWSIL DC-67、0.2g Span 60，常温下搅拌6h，配制得到质量分数为2.5%的海藻酸钠溶胶液，记作水凝胶组分B。

其他的均与实施例1中的相同。

对比例

对比例1

本对比例的电子烟与实施例1的区别之处在于，热管内不设置相变材料。

对比例2

本对比例的快速降低电子烟烟气温度的复合相变材料由如下重量的原料制成：海藻酸钠2.44g、石墨烯1g、十水四硼酸钠6g、六水氯化钙2g、十二水磷酸氢钠4g、十六醇4g、PEG 6000 4g、润湿剂0.3g、表面活性剂OP-10 0.024g、水100g。

其他的均与实施例1中的相同。

对比例3

本对比例的快速降低电子烟烟气温度的复合相变材料的制备方法与实施例1的区别之处在于，步骤4）中，将相变温控组分A、导热组分C、OP-10直接加入100g水凝胶组分B中进行混合，不再将相变温控组分A、导热组分C预混合。

其他的均与实施例1中的相同。

对比例4

本对比例的快速降低电子烟烟气温度的复合相变材料的制备方法与实施例1的区别之处在于，步骤4）中，将静置脱泡后的均匀分散体系倒入不锈钢模具中，直接进行冷冻干燥除水，然后粉碎过筛得到100目的颗粒，不再进行冷冻、解冻步骤。

其他的均与实施例1中的相同。

性能检测试验

（1）取实施例1-10及对比例2-4中的快速降低电子烟烟气温度的复合相变材料，测试其在从30℃升高至60℃的过程中的体积变化率，从测试结果可以看出，本申请实施例1-10的快速降低电子烟烟气温度的复合相变材料的体积变化率小于实施例2和实施例4中的复合相变材料的体积变化率。

（2）取实施例1-3、实施例6-10及对比例1中的电子烟，按照如下方法测试其烟气温度变化情况：在电子烟（带有过滤嘴）的过滤嘴处设置测温探针，利用抽吸装置进行抽吸，测试该检测点的烟气温度。

根据测试结果，对比例1、实施例1-3、实施例6-10的烟气温度变化情况分别如图1-9所示。

从图1-9可以看出，本申请的电子烟采用的快速降低电子烟烟气温度的复合相变材料能够将电子烟的烟气快速降温，并具有较高的稳定性，采用本申请的快速降低电子烟烟气温度的复合相变材料的电子烟，不仅能够快速降温，而且在后期抽吸过程中，烟气温度大致保持在30-50℃范围内，更加温和。