電子煙霧化溫度測定及影響研究

鞏效偉，韓熠，李壽波，張霞，陳永寬，楊繼，洪鎏，李廷華，吳俊，朱東來

云南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)中心，昆明市五華區(qū)紅錦路367號 650231

制造技術(shù)

電子煙霧化溫度測定及影響研究

鞏效偉，韓熠，李壽波，張霞，陳永寬，楊繼，洪鎏，李廷華，吳俊，朱東來

云南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)中心，昆明市五華區(qū)紅錦路367號 650231

為了解電子煙霧化溫度影響因素和霧化溫度范圍，按照CORESTA推薦電子煙抽吸模式，采用紅外熱成像技術(shù)對可注油和預(yù)注油霧化器進(jìn)行霧化溫度測定，采用非導(dǎo)電型熱電偶對一次性連體煙霧化器進(jìn)行霧化溫度測定。結(jié)果表明：（1）對于丙二醇、甘油和1,3-丁二醇三種溶劑，使用混合溶劑時的電子煙霧化溫度高于使用單一溶劑時的霧化溫度；（2）電子煙霧化溫度與加熱絲阻值呈負(fù)相關(guān)，與工作電壓呈正相關(guān)；（3）阻值相同的可注油霧化器，單根發(fā)熱絲的霧化溫度高于雙根發(fā)熱絲的霧化溫度；（4）對于結(jié)構(gòu)相同的一次性連體煙霧化器，氣流通道直徑與霧化溫度呈負(fù)相關(guān)；且隨著抽吸口數(shù)的增加，一次性連體煙霧化器的霧化溫度呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢。

電子煙；霧化溫度；霧化器

電子煙（electronic cigarettes，簡稱e-cigarettes），是韓力于2003年發(fā)明的，主要由霧化器、電池和控制元件等組成，其產(chǎn)生煙霧的原理是煙油在電子煙霧化系統(tǒng)的電加熱元件上氣化成高溫蒸汽向開口端噴出，噴出后的蒸汽在大氣中膨脹冷凝成煙狀的微小霧滴，從而形成類似傳統(tǒng)卷煙的煙霧[1]。常見的霧化器主要有可注油式、預(yù)注油式和一次性連體式3類。常見的可注油霧化器如圖1所示，其主要由底座、發(fā)熱絲卡座、導(dǎo)油繩、儲液腔和吸嘴組成，霧化器由電池通過底座向發(fā)熱絲供電，發(fā)熱絲升溫將導(dǎo)油繩引流的煙油加熱霧化，抽吸時煙霧由氣流通道經(jīng)由吸嘴吸入消費者口中。常見的預(yù)注油霧化器的結(jié)構(gòu)如圖2所示，其關(guān)鍵元件主要有加熱元件（一般為加熱絲）、導(dǎo)油繩、儲油棉和氣流通道，其工作原理與可注油霧化器基本相同，也是由電池通過螺旋接口由正、負(fù)電極向加熱元件（一般為發(fā)熱絲）供電，發(fā)熱絲將導(dǎo)油繩引流來的煙油加熱霧化，抽吸時煙霧由氣流通道經(jīng)由頂部端蓋的小孔進(jìn)入消費者口中。常見的一次性連體式霧化器如圖3所示，其霧化器的關(guān)鍵元件與預(yù)注油式霧化器的基本相同，主要包括加熱元件、導(dǎo)油繩、儲油棉和氣流通道，由于一次性連體式電子煙的霧化器和其他部件是一體的，所以與預(yù)注油式霧化器相比，一次性連體式霧化器增加了阻油塞，以防止煙油外流。三類霧化器的異同點如下：1）相同點：三者的供油和霧化方式相同，供油方式均是通過導(dǎo)油繩來傳送煙油，霧化方式均為電加熱霧化；2）不同點：可注油式霧化器的儲油方式與其他兩類霧化器不同，其通過儲液腔來儲油，而其他兩種霧化器均采用儲油棉來儲油。

圖1 可注油霧化器實物圖Fig.1 Photograph of re fi llable atomizer

圖2 預(yù)注油霧化器的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure diagram of pre- fi lled atomizer

圖3 一次性連體式霧化器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structure diagram of non-detachable atomizer

電子煙煙油常用的發(fā)煙物質(zhì)為丙三醇和丙二醇的混合物，一般占到煙油的90%以上（質(zhì)量百分?jǐn)?shù)），其余為煙堿、香氣成分、水、乙醇等成分[1]。根據(jù)電子煙的霧化發(fā)煙原理可推測，電子煙的霧化溫度高低將會對電子煙的煙霧量、化學(xué)成分的遞送和感官質(zhì)量產(chǎn)生重要影響。通常情況下，使用相同煙油的同一種可調(diào)壓電子煙，電壓越高，理論上霧化溫度也越高，電子煙的煙霧量越大，煙堿和香氣成分遞送的量越多，電子煙的香氣越飽滿，生理強(qiáng)度越大。因此，研究電子煙的霧化溫度對于電子煙的開發(fā)具有重要意義。傳統(tǒng)卷煙一般采用熱電偶或紅外熱像儀對燃燒錐的溫度進(jìn)行測定[2-5]。

由于電子煙的發(fā)明和流行的時間較短，電子煙霧化溫度測試有關(guān)的公開報道還較少。Tongke Zhao等采用熱電偶對四個品牌的電子煙煙彈發(fā)熱絲溫度進(jìn)行測試，發(fā)現(xiàn)不同品牌電子煙發(fā)熱絲溫度差異較大，發(fā)熱絲溫度范圍為138.6-231.0 ℃[6]。Tobias Schripp等采用紅外熱成像儀測試無煙油電子煙的發(fā)熱絲溫度，結(jié)果顯示溫度約為350 ℃，但論文中未注明所測試的電子煙類型[7]。另外，OtmarGeiss等同樣采用紅外熱成像儀測試第三代電子煙（Mods）的發(fā)熱絲溫度，結(jié)果顯示在不添加煙油的情況下，電子煙功率為5 W、10 W、15 W、20 W、25 W時，發(fā)熱絲的溫度分別為380 ℃、490 ℃、625 ℃、800 ℃和 950 ℃，同時文章還報道了添加煙油后，電子煙功率為5 W、10 W、15 W、20 W時，發(fā)熱絲的溫度變化情況[8]。但未見有對電子煙霧化溫度影響因素的公開報道。

為了較系統(tǒng)的研究電子煙霧化溫度的影響因素以及霧化溫度范圍，本文在CORESTA推薦電子煙抽吸模式下，采用紅外熱像儀對可注油霧化器和預(yù)注油霧化器進(jìn)行霧化溫度測試，采用非導(dǎo)電型熱電偶對一次性連體煙霧化器進(jìn)行霧化溫度測試，研究煙油溶劑、工作電壓、發(fā)熱絲阻值、發(fā)熱絲數(shù)量等對電子煙霧化溫度的影響。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑和儀器

市售銷量較好的可注油霧化器、預(yù)注油霧化器和一次性連體煙霧化器樣品各2個，共6個樣品，其中1#可注油霧化器樣品有3個不同的阻值，分別為1.6 Ω、2.0 Ω和2.6 Ω。樣品的具體參數(shù)見表1。

表1 試驗樣品Tab.1 Information of test samples

甘油（純度≥99.5%，美國Sigma公司）、1,2-丙二醇（純度≥99.5%，美國Sigma公司）、1,3-丁二醇（純度≥99.5%，美國Sigma公司）；煙草口味煙油的主要成分及質(zhì)量百分含量為甘油61.7%、1,2-丙二醇26%、乙醇4.8%、水3.5%、煙堿1.8%、香味成分2.2%。

電子煙加熱絲溫度監(jiān)測儀（配備德國OPTRIS紅外熱成像探頭，中國麥克韋爾公司）；非導(dǎo)電型熱電偶（美國OMEGA公司）；數(shù)據(jù)采集器（美國Agilent公司）；BTS-5V3A電池檢測系統(tǒng)（深圳市新威爾電子有限公司）。

1.2 方法

1.2.1 CORESTA推薦電子煙抽吸方法

采用的抽吸模式為CORESTA推薦電子煙抽吸模式[9]：抽吸容量55 mL，抽吸持續(xù)時間3 s，抽吸間隔30 s。

1.2.2 電子煙霧化溫度采集及分析

（1）可注油和預(yù)注油霧化器

可注油和預(yù)注油霧化器使用電子煙加熱絲溫度測試儀測試霧化溫度。具體的操作方法為，首先按要求向可注油和預(yù)注油霧化器中加入煙油，去除可注油和預(yù)注油霧化器煙嘴端的端蓋以露出氣流通道，然后安裝在電子煙加熱絲溫度測試儀上，采用直流電源對可注油和預(yù)注油霧化器供電，可注油和預(yù)注油霧化器與測試儀的連接處設(shè)有氣管可向可注油和預(yù)注油霧化器中吹入18.33 mL/s流速的空氣來模擬吸煙，紅外熱成像探頭正對氣流通道，通過氣流通道非接觸式測定可注油和預(yù)注油霧化器加熱絲處的霧化溫度，其中直流電源、氣管、紅外熱成像探頭工作同步。以此，來測定可注油和預(yù)注油霧化器的霧化溫度。圖4為4#樣品的熱成像圖。

圖4 4#樣品的熱成像圖Fig.4 The thermographic image of 4# sample

試驗中，電子煙加熱絲溫度監(jiān)測儀所采集的溫度為紅外熱成像探頭所探測中心區(qū)域的瞬時最高溫度。該設(shè)備的數(shù)據(jù)采集頻率為每0.02 s采集1次，每次抽吸循環(huán)可得到拋物線型溫度-時間曲線。為了便于比較，選取拋物線最高點的瞬時溫度進(jìn)行分析，其中每個樣品測試30口，得到30個數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)平均并計算標(biāo)準(zhǔn)偏差。

（2）一次性連體煙霧化器

一次性連體煙霧化器使用非導(dǎo)電型熱電偶測試霧化溫度。具體的操作方法為，首先按要求向連體煙霧化器中加入等量煙油，然后將連體煙霧化器的頂部端蓋去除以露出氣流通道，將處理后的連體電子煙的燈帽端與氣管相連，氣管可根據(jù)輸入電腦的抽吸模式來向連體電子煙中吹入18.33 mL/s流速的空氣來模擬吸煙，然后將與連接在數(shù)據(jù)采集器上的非導(dǎo)電型熱電偶從連體煙霧化器的氣流通道處插入直到與發(fā)熱絲接觸，以此來測定一次性連體煙霧化器的霧化溫度。

試驗中，非導(dǎo)電型熱電偶通過數(shù)據(jù)采集器所采集的溫度為所接觸的發(fā)熱絲的瞬時溫度。該設(shè)備的數(shù)據(jù)采集頻率為每0.25 s采集一次，每次抽吸循環(huán)也可得到拋物線型溫度-時間曲線。為了便于比較，選取拋物線最高點的瞬時溫度進(jìn)行分析，得到的數(shù)據(jù)每10個為一組，進(jìn)行算術(shù)平均并計算標(biāo)準(zhǔn)偏差。

1.2.2.1 不同煙油溶劑下霧化溫度測定

使用2.6 Ω的1#可注油霧化器，灌注1,2-丙二醇、甘油、1,3-丁二醇、1,2-丙二醇：甘油=2：1（質(zhì)量比）和甘油：1,3-丁二醇=2：1（質(zhì)量比）五種煙油溶劑進(jìn)行試驗。工作電壓為3.7 V。

1.2.2.2 不同阻值可注油和預(yù)注油霧化器的溫度測定

試驗所用的煙油均為上述煙草口味煙油。對不同阻值的1#可注油霧化器在2.6 V、3.7 V和4.8 V電壓下的霧化溫度進(jìn)行測定，并對不同阻值的3#和4#預(yù)注油霧化器在3.0 V、3.7 V和4.0 V下的霧化溫度進(jìn)行測定。

1.2.2.3 不同發(fā)熱絲數(shù)量霧化器的霧化溫度測定

使用1# 2.0 Ω和2#可注油霧化器樣品進(jìn)行霧化溫度測試，測試的電壓為3.7 V、4.8 V。

1.2.2.4 一次性連體煙霧化器溫度測定

測試所用煙油為煙草口味煙油。對相同阻值的兩個一次性連體煙霧化器5#、6#進(jìn)行霧化溫度測定。

1.2.2.5 一次性連體電子煙電池測試

采用電池檢測系統(tǒng)對一次性連體電子煙電池進(jìn)行放電性能測試。具體的測試方法如下：

（1）電池充電：以額定電流恒流充電，充電到電池兩端電壓為4.2 V，然后再以4.2 V的電壓恒壓充電，一直到充電電流為0.01 C；

（2）將電池放置30 min；

（3）電池放電：以0.2 C的放電倍率放電，直到電池電壓為3 V，測試完成；

（4）數(shù)據(jù)分析：根據(jù)電池檢測系統(tǒng)的測試數(shù)據(jù)，以電池容量為橫坐標(biāo)，以電池電壓為縱坐標(biāo)作出電池的放電曲線。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同溶劑對電子煙霧化溫度的影響

圖5為不同溶劑下電子煙的霧化溫度比較。由圖可知，就單一成分溶劑而言，丙二醇、甘油和1,3-丁二醇三種溶劑相比，以丙二醇為溶劑的霧化溫度最低，以甘油和1,3-丁二醇為溶劑的稍高，可能原因有兩方面，一方面，較甘油（沸點為290 ℃）[10]和1,3-丁二醇（沸點為203 ℃）[11]，丙二醇（沸點為188 ℃）[12]的沸點較低，發(fā)熱元件加熱到較低的溫度即可霧化，所以丙二醇霧化溫度較低，另一方面，較甘油（粘度為1412 mPa·s）[10]和1,3-丁二醇（粘度為103 mPa·s）[11]，丙二醇（粘度為42 mPa·s）[12]的粘度較小，流動性較好，霧化后溶劑供給更及時，所以霧化溫度較低；單一成分溶劑與混合成分溶劑相比，以混合成分為溶劑的霧化溫度明顯高于單一成分溶劑的霧化溫度。

三種單一溶劑的霧化溫度在184～202 ℃，兩種混合溶劑的霧化溫度都在210 ℃以上。

圖5 使用不同溶劑電子煙的霧化溫度比較Fig.5 Comparison of atomization temperature of e-cigarettes using different solvents

2.2 工作電壓對不同阻值可注油和預(yù)注油霧化器的霧化溫度影響

圖6為不同阻值的1#可注油霧化器在不同電壓下的霧化溫度比較。由圖6可知，在相同電壓下，可注油霧化器的阻值越低，霧化溫度越高，即霧化溫度與霧化器阻值呈負(fù)相關(guān)；在相同的電阻下，電壓越高，霧化溫度越高，即霧化溫度與電壓呈正相關(guān)。以上結(jié)果可用焦耳定律Q=（U2/R）*t來解釋，由該公式可知，電能轉(zhuǎn)化為熱能的量與電壓的平方呈正比，而與電阻呈反比，即在相同的電阻和時間下，電壓越大產(chǎn)生的熱量越多所以霧化溫度高，在相同的電壓和時間下，電阻越大產(chǎn)生的熱量越少所以霧化溫度低。

由圖6還可看出，在同一阻值下，工作電壓越高，溫度的波動幅度越大，可能原因為電壓較高時霧化速度快于供油速度導(dǎo)致干燒，干燒時霧化穩(wěn)定性被破壞，波動變大。說明該種類型霧化器的工作電壓不宜過高，具體就是在電阻為1.6 Ω、2.0 Ω時電壓不宜高于3.7 V，電阻為2.6 Ω時電壓不宜高于4.8 V；在電壓為2.6 V時，3個電阻的霧化器霧化溫度接近，電壓升高，溫度也逐步拉開；另外，3個阻值的霧化器霧化溫度與工作電壓呈正相關(guān)。

圖6 不同阻值的1#可注油霧化器在不同電壓下的霧化溫度比較Fig.6 Comparison of atomization temperature of 1# re fi llable atomizer with different resistance at different voltages

圖7為不同阻值預(yù)注油霧化器在不同電壓下的霧化溫度比較。由圖7可知，在相同電壓下，預(yù)注油霧化器的阻值越低，霧化溫度越高，即霧化溫度與預(yù)注油霧化器阻值呈負(fù)相關(guān)；在相同的電阻下，電壓越高，霧化溫度越高，即霧化溫度與電壓呈正相關(guān)。以上結(jié)果也可用焦耳定律解釋。

由圖7還可看出，在3.0 V～4.0 V的電壓范圍內(nèi)，3.5 Ω預(yù)注油霧化器的加熱絲溫度與電壓呈線性正相關(guān)，R2為0.9951；2.3 Ω預(yù)注油霧化器在4.0 V的電壓時，加熱絲溫度急劇升高，可能原因是由于電壓較高煙油霧化速度快于供油速度造成干燒，說明小于等于2.3 Ω的低電阻預(yù)注油霧化器的工作電壓不宜超過4.0 V，且在4.0 V時溫度的波動較3.0 V、3.7 V大；在低電壓時（3.0 V、3.7 V），2.3 Ω與3.5 Ω的預(yù)注油霧化器的加熱絲溫度相差不大，當(dāng)電壓達(dá)到4.0 V，2.3 Ω預(yù)注油霧化器的加熱絲溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于3.5 Ω預(yù)注油霧化器的加熱絲溫度。

圖7 不同阻值預(yù)注油霧化器（3#和4#樣品）在不同電壓下的霧化溫度比較Fig.7 Comparison of atomization temperature of pre- fi lled atomizers with different resistance (3# and 4# sample) at different voltages

2.3 發(fā)熱絲數(shù)量對可注油霧化器霧化溫度的影響

圖8為可注油霧化器阻值相同的單雙絲霧化器的霧化溫度比較。由圖可知，在相同的電壓下，1#單絲霧化器霧化溫度明顯高于2#雙絲霧化器，推測原因為雙絲霧化器的2根發(fā)熱絲為并聯(lián)，每根發(fā)熱絲的阻值相同均為4.0 Ω，根據(jù)焦耳定律Q=（U2/R）*t，在相同的電壓和加熱時間下，發(fā)熱絲阻值越高電能轉(zhuǎn)化的熱能就越少，所以溫度升高的就小，霧化溫度也就較低。

圖8 樣品阻值相同發(fā)熱絲數(shù)量不同的可注油霧化器霧化溫度比較Fig.8 Comparison of atomization temperature of re fi llable atomizer with the same resistance and different numbers of heating wire

2.4 一次性連體煙霧化器霧化溫度

圖9為5#和6#一次性連體煙霧化器霧化溫度比較。由圖可知，兩種一次性連體煙霧化器相比，5#霧化器的霧化溫度明顯高于6#霧化器，可能原因為在兩種一次性連體煙霧化器加熱絲阻值相同的情況下（均為3.3 Ω），5#霧化器氣流通道內(nèi)徑為2.0 mm，而6#霧化器氣流通道內(nèi)徑為3.5 mm，6#霧化器氣流通道大，加熱絲熱量散發(fā)較快，所以霧化溫度較低，5#和6#霧化器氣流通道的對比情況見圖10。

另外，由圖9還可看出，兩種一次性連體煙霧化器，隨著抽吸口數(shù)的增加，霧化溫度均有先升高后降低的趨勢，可能原因為隨著抽吸口數(shù)的增加，吸油棉中煙油的量減少，電池電量衰減造成電芯輸出電壓逐漸降低，其中煙油的量減少會造成霧化溫度升高，電壓降低會造成霧化溫度降低，抽吸前期煙油減少對霧化溫度影響起主導(dǎo)作用，所以霧化溫度先升高，隨著抽吸口數(shù)增加電壓降低逐步成為主因，所以霧化溫度又出現(xiàn)后降低的趨勢。一次性連體電子煙電池放電曲線見圖11。

圖9 5#和6#一次性連體煙霧化器每10口的霧化溫度比較Fig.9 Comparison of atomization temperature of 5# and 6# nondetachable atomizers within every 10 puffs

圖10 5#和6#一次性連體煙霧化器氣流通道對比圖Fig.10 Photograph of 5# and 6# non-detachable atomizers' air fl ow channel

圖11 一次性連體電子煙電池放電曲線Fig.11 Battery discharge curve of the disposable integrated e-cigarettes

3 結(jié)論

建立了電子煙霧化溫度的測試方法，其中可注油和預(yù)注油霧化器采用紅外熱成像方法測定，一次性連體煙霧化器采用非導(dǎo)電型熱電偶測定。在相同的抽吸模式下，采用相同的霧化器，發(fā)現(xiàn)混合溶劑下的電子煙的霧化溫度高于單一溶劑下的霧化溫度；電子煙霧化溫度與加熱絲阻值呈負(fù)相關(guān)，與工作電壓呈正相關(guān)；阻值相同的霧化器，單根發(fā)熱絲的霧化溫度高于雙根發(fā)熱絲的霧化溫度；對于結(jié)構(gòu)相同的一次性連體煙霧化器，氣流通道直徑與霧化溫度呈負(fù)相關(guān)；且隨著抽吸口數(shù)的增加，一次性連體煙霧化器的霧化溫度有呈先升高后降低的趨勢。

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：GONG Xiaowei, HAN Yi, LI Shoubo, et al. Investigation into factors in fl uencing atomization temperature in vaping [J]. Acta Tabacaria Sinica, 2017, 23(3)

*Corresponding author.Email：16594939@qq.com

Investigation into factors in fl uencing atomization temperature in vaping

GONG Xiaowei*, HAN Yi, LI Shoubo, ZHANG Xia, CHEN Yongkuan,Yang Ji, HONG Liu, LI Tinghua, WU Jun, ZHU Donglai R &D Center, China Tobacco Yunnan Industrial Co., Ltd., Kunming 650231, China

In order to study the influencial factors of vaping’s atomization temperature, refillable and pre-filled atomizers were tested by infrared thermal imaging technology, and non-detachable atomizerswere tested with non-conductive thermocouple. CORESTA recommended smoking regime of vaping was adopted. Results showed that: (1) as for three solvents propylene glycol, glycerol and 1,3-butanediol, the atomization temperature of mixed solvent was higher than that of single solvent; (2) atomization temperature was negatively correlated with heating wire resistance and positively correlated with working voltage; (3) as for re fi llable atomizers with same resistance, the atomization temperature of single heating wire was higher than that of two heating wires; (4) as for non-detachable atomizers with same structure, atomization temperature was negatively correlated with the airflow channel diameter, and increased at first and decreased subsequently with increasing pu ff number.

vaping; atomization temperature; atomizer

鞏效偉，韓熠，李壽波，等. 電子煙霧化溫度測定及影響研究[J]. 中國煙草學(xué)報，2017,23（3）

云南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司科技項目“具有中式卷煙風(fēng)格的電子煙開發(fā)”(2015CP06)

鞏效偉（1982—），碩士，工程師，主要從事新型煙草制品研究，Email：415959426@qq.com

朱東來（1978—），碩士，高級工程師，主要從事新型煙草制品研究，Email：16594939@qq.com

2016-03-24；< class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版日期：

日期：2017-06-22