陈一桢 高 颂 彭 瑞 晏群山，* 危 培 武书彬 舒 灏 王子维 童宇星 乐 喜刘志昌 刘雄斌 万 超

（1.湖北中烟工业有限责任公司，湖北武汉，430040；2.湖北新业烟草薄片开发有限公司，湖北武汉，430056；3.重组烟叶应用技术研究湖北省重点实验室，湖北武汉，430040；4.华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室，广东广州，510640）

新型烟草制品发展迅速，尤其是加热烟草制品快速增长，可能引发烟草行业的一次变革，全球各大烟草企业纷纷布局加热不燃烧新型烟草制品的研发[1-2]。加热不燃烧（Heat-not Burning，简称HnB）烟草制品，又叫低温卷烟，属于烟草制品范畴，是最接近传统卷烟的一种烟草制品。加热不燃烧型卷烟具有“加热烟丝或烟草提取物而非燃烧烟丝”的特点，减少了烟草高温燃烧裂解产生的有害成分，使主流烟气化学组分释放量大大降低[3]。近年来，新型烟草制品快速发展，菲莫国际、英美烟草、日烟等世界烟草巨头纷纷投入巨资加快新型烟草制品的研发和产品推广。对于烟草企业来说，新型烟草制品是烟草市场的“蓝海”，是烟草行业未来发展的潜力所在。

HnB卷烟在抽吸时，无论是采用外围加热还是内芯加热，因烟丝本身导热系数低，受到加热元器件面积等的局限，热传导不够均匀，不同区域烟丝挥发成分的析出不一致，靠近热源的烟草物质温度较高，烟草物质中含有的雾化介质、香味成分和外加香精香料可较好地雾化和挥发，而远离热源的烟草物质温度较低，烟草物质中含有的这些挥发性物质不能有效地雾化和挥发[4]。因此，如何提高HnB 卷烟的导热系数，对改进薄片制备工艺，制备出导热性好、组分混合均匀的烟弹具有重要的意义。

近年来，有关提升HnB 卷烟导热性能方法与途径研究表明，薄片与烟弹制备工艺的优化、添加导热助剂是提升HnB 卷烟导热性能的有效途径[5]。例如，申请号为CN110522081.A的专利文件公开了一种导热烟丝及其制备方法和应用，所述的导热烟丝，以烟叶或烟草为基底，在所述基底表面覆有导热层，其导热层的负载量为10～100 mg/m2，报道的最高导热系数为0.5 W/（m·K）。申请号为202011394021.8 的专利文件公开了一种优化辊压法HnB 烟草制品的制备方法，该专利通过加入含有雾化剂和导热助剂的混合溶液（含有碳化硅粉末、氮化硼粉末、氧化铝粉末、氧化镁粉末的混合物），导热助剂碳化硅粉末、氮化硼粉末、氧化铝粉末、氧化镁粉末的质量比为3∶2∶5∶5，添加量为烟草粉量的2%～5%，导热系数最高达0.4886 W/（m·K）。这些已经公开的专利没有涉及导热助剂直接与烟粉干法预混的添加工艺，且通过先制成导热浆液，再通过喷涂、浸渍、涂布或印刷的施加工艺与现有生产工艺存在较大的不同，实施成本较高，因此研究开发新型的导热助剂及其使用工艺，对提升薄片导热性能具有重要的现实意义。

为探究影响HnB 卷烟导热性能的薄片制备工艺及使用惰性导热助剂提升薄片导热性能的可行方法，本研究首先研究了薄片水分含量、发烟剂含量对薄片导热性能的影响；其次比较了纳米石墨烯、碳纳米管、纳米氧化铝、碳化硅4种不同导热助剂的效果及其对纤维组织的影响；最后研究了不同水分含量下，薄片中烟粉与纳米石墨烯质量比对导热性能的影响。

1 实 验

1.1 原料与试剂

实验用烟粉，湖北新业烟草薄片开发公司；北木牌漂白硫酸盐针叶木浆，加拿大；羧甲基纤维素钠（CMC），湖北新业烟草薄片开发公司；甘油，食品级，国药集团化学试剂有限公司；工业级薄层石墨烯纳米片，南京先丰纳米科技有限公司；碳纳米管，工业级多壁TNCC21022D 型，中科院成都有机化学有限公司；纳米氧化铝、碳化硅，国药集团化学试剂有限公司。

1.2 薄片的制备

漂白硫酸盐针叶木浆（外纤）先经浸泡、疏解，控制在设定的浆料浓度下轻度打浆至（15±1）°SR。在一定温度下，按纸浆、甘油、水质量比为1∶13.5∶16，加入CMC 和甘油，混合均匀后形成膏状的组分A。取一定量烟粉与一定量选定的导热助剂，在粉末混合机中充分混合，制成组分B，边搅拌边将B 加入A中，制备成混合物料C，然后在辊压机上将混合物料C制备成一定厚度的HnB 薄片。烟支应用时，薄片是否掉粉将直接影响薄片的实用，前期对辊压法烟草薄片工艺优化研究时，通过优选黏合剂种类、品质和用量，确保制备的烟支应用时薄片的掉粉率降低至合理的水平。

1.3 薄片热物理性质的分析

薄片的主要原料为烟粉，通常占比为60%～65%，所制成的薄片或烟丝的导热系数比较低。适合这类材料导热性能测定的主流仪器主要有两类，一类是瞬时平面热源法，一类是瞬时平面热线法。

基于瞬时平面热源法测试材料热常数代表性的仪器是瑞典生产的Hot Disk 热常数分析仪，可用于固体、粉末、薄膜、各向异性材料等热物理性质参数的测定，可同时得到导热系数（Thermal Conductivity）、热扩散率（Thermal Diffusivity）、热 容（Heat Capacity）。基于瞬时平面热线法测试各类材料的导热性能的仪器，目前国内有西安夏溪电子科技有限公司生产的TC3000 系列导热系数仪，适合于烟草薄片的测定，但该仪器不能同时给出热扩散系数、比热容这两个参数。本研究工作中有关薄片导热性能的测定均采用瑞典Hot Disk 公司生产的TPS 2500S导热系数分析仪，采用多组测量取平均值，测量次数为4 次。

1.4 显微形态表征

将添加导热助剂前后的薄片试样切成3～5 mm 的小方块，经干燥，喷铂金后，采用日立公司生产的SU5000型场发射扫描电子显微镜（FESEM），观察试样的显微结构。

2 结果与讨论

2.1 薄片物理性质对导热性能的影响

2.1.1 水分含量对导热性能的影响

图1 是薄片水分含量对导热系数、热扩散系数、体积热容的影响。从图1可以看出，总体而言，导热系数、热扩散系数随着薄片水分含量的增加而提高，体积热容则呈现下降趋势。薄片水分含量在5%～18%范围时，导热系数随着水分含量的增加呈线性增加，但水分含量低于5%或超过18%时，增幅变小，这是由于随着薄片中水分含量的增大，在表面张力的作用下，拉近了物料颗粒间距离，纤维表面的羟基与烟粉颗粒表面的羟基之间有可能形成氢键，促进热传导。这与文献报道的薄片湿基水分含量与导热性能的关系一致[6]。

图1 薄片水分含量对导热性能的影响Fig.1 Influence of sheet moisture content on thermal conductivity

2.1.2 发烟剂含量对导热性能的影响

表1 是不同水分含量下导热系数、热扩散系数、体积热容与发烟剂用量的关系。从表1 可知，当水分含量分别为13.67%、4.05%，发烟剂用量由16.9%增加到21.3%时，薄片的导热系数与热扩散系数均减小，但体积热容增大；当薄片水分含量为13.67%时，发烟剂用量由16.9%增加到21.3%，薄片的导热系数由0.3176 W/（m·K）降至0.2620 W/（m·K），降低了17.5%；热扩散系数由0.1153 mm2/s 降至0.0955 mm2/s，降低了17.2%，体积热容由2.7625 MJ/（m3·K）增至2.852 MJ/（m3·K），增加了3.2%。而水分含量为21.65%时，发烟剂用量对导热系数、热扩散系数、体积热容的影响很小。

表1 不同水分含量下发烟剂用量对导热性能的影响Table 1 Influence of smoke generating agent dosage on thermal conductivity under different moisture content

2.2 不同导热助剂对薄片导热性能的影响

石墨烯、金属氧化物具有较高的导热性能[7-10]，已有一些专利技术涉及到在烟草薄片的涂层中添加石墨烯、金属氧化物提高其导热性能[5,11]。鉴于烟草制品添加剂的种类是属于严格管控的，本研究选用了理化性质稳定，价格相对便宜的工业级多层片状纳米石墨烯、纳米氧化铝、工业级多壁碳纳米管、碳化硅4种导热助剂，其形态均为固体粉末。

图2 为4 种惰性导热助剂对薄片导热性能的影响。从图2可以看出，在薄片水分含量为20.67%，发烟剂含量18.27%，4 种助剂添加量均为3.2%（相对烟粉质量）时，对导热系数而言，相比未添加导热助剂的薄片（空白样），添加纳米石墨烯的薄片导热系数由0.2581 W/（m·K）增至0.5043 W/（m·K），提高了95.39%，碳纳米管次之，提高了31.90%，纳米氧化铝增幅最低，仅提高了30.88%。从热扩散系数来看，相比空白样，添加纳米石墨烯和碳纳米管的效果最明显，分别增加75.0%和60.84%，而添加纳米氧化铝和碳化硅的薄片热扩散系数略微下降。体积热容与物质的密度等物理性质有密切关系，纳米氧化铝和碳化硅的密度远高于纳米石墨烯和碳纳米管，添加纳米氧化铝和碳化硅的增幅最显著，相比空白样，分别增加39.92%和36.82%，而添加纳米石墨烯薄片的体积热容仅增加8.23%。综上所述，从提高导热系数和热扩散系数的综合效果来看，添加纳米石墨烯的效果最好。

图2 4种惰性导热助剂对薄片导热性能的影响Fig.2 Effect of four kinds of inert additives on the thermal conductivity of sheets

采用FESEM 观察添加3.2%（相对烟粉质量）4种导热助剂制备的薄片显微形态见图3。由图3 可以看出，4 种助剂与烟粉预混合添加，在薄片中分散均比较均匀，没有发生明显的团聚。辊压法制备的烟草薄片显微组织形态与造纸法相比，组织结构致密[12]。添加密度大于烟粉的纳米氧化铝、碳化硅，形成的薄片组织较空白样致密，空隙小，热扩散系数最低（见图2）；而添加密度小、比表面积相对较大的纳米石墨烯，其微观组织结构相对空白样变化不大；而添加管状的碳纳米管所制备的薄片相对空白样，纤维形态较疏松，其导热性能的提升幅度不如纳米石墨烯，体积热容甚至低于空白样（见图2），这与薄片的组织结构有一定的关系。

图3 添加导热助剂前后薄片的FESEM图Fig.3 FESEM images of the sheets before and after adding thermal conductivity additives

2.3 纳米石墨烯添加量及水分含量对薄片导热性能的影响

2.3.1 纳米石墨烯添加量对薄片导热性能的影响

图4 是纳米石墨烯添加量对薄片导热性能的影响。从图4可以看出，薄片的导热系数、热扩散系数均随着纳米石墨烯添加量的增加而显著增加，而体积热容的变化相对较小，规律性不明显。综合使用的效果、安全性等因素，相比未添加纳米石墨烯的薄片，纳米石墨烯添加量为1.6%（相对烟粉质量）时，导热系数和热扩散系数分别可提高63.81%和58.40%，且作为纯碳材料性质稳定、使用安全[10]，是目前提高薄片导热性能的首选助剂。但是添加纳米石墨烯对薄片的色泽有不利的影响，尤其是添加量较高时，薄片颜色较暗，呈黑色，因此寻求更为高效、安全的提高薄片导热性能的助剂值得深入研究，这也为开发应用于其他领域的纸基高导热薄片材料提供了参考[13]。

2.3.2 不同水分含量下薄片的导热性能

从图4 可知，添加纳米石墨烯对导热系数的效果非常显著，为了尽可能添加少量的助剂，实现提升薄片导热系数30%以上这一目标。鉴于纳米石墨烯比表面积大、质轻、对烟粉添加量超过1%薄片色泽明显变黑这些特点，研究了在薄片含水量不同的条件下，纳米石墨烯添加量对烟粉质量为0.83%时，薄片导热系数、热扩散系数、体积热容的变化，结果见表2。

图4 纳米石墨烯添加量对薄片导热性能的影响Fig.4 Influence of graphene content on the thermal conductivity of sheets

表2 不同水分含量下添加纳米石墨烯薄片的导热性能Table 2 Thermal conductivity of sheets prepared by adding nano graphene under different moisture content

从表2 可以看出，纳米石墨烯添加量为0.83%，含水量不同时，薄片导热系数、热扩散系数、体积热容的增幅有较大的差异。当水分含量从21.65%逐步下降到13.67%、4.05%时，相对空白样，对应的薄片导热系数增幅由13.97% 分别增加到34.95%、35.30%；水分含量为13.67%时，薄片热扩散系数由空白样的0.1116 mm2/s 增至0.1391 mm2/s，增幅最大，达24.64%；而体积热容则是在水分含量为4.05%时，增幅最大，由空白样的1.988 MJ/（m3·K）提高到2.5733 MJ/（m3·K），增加了29.44%。

3 结论

本研究首先研究了薄片水分含量、发烟剂含量对导热性能的影响；其次比较了纳米石墨烯、碳纳米管、纳米氧化铝、碳化硅4种不同导热助剂的效果及其对纤维组织的影响；最后研究了不同水分含量下，薄片中烟粉与纳米石墨烯质量比对导热性能的影响。

3.1 常温条件下，薄片的导热系数、热扩散系数、体积热容与发烟剂用量的关系受水分含量影响。薄片水分含量低于13.67%，其导热系数、热扩散系数随着发烟剂含量的增加有所降低。但水分含量较高时，薄片中发烟剂含量对导热系数、热扩散系数、体积热容的影响很小。

3.2 分别添加不同的导热助剂，对薄片导热性能的提高均有较好的效果，从提升导热系数和热扩散系数增幅等综合效果来看，添加纳米石墨烯的效果最好，添加量为3.2%（相对烟粉质量）时，相比未添加导热助剂的空白样，薄片导热系数、热扩散系数、体积热容分别增加了95.39%、75.0%和8.23%。

3.3 薄片含水量不同时，添加纳米石墨烯后，薄片导热系数、热扩散系数、体积热容的增幅有较大的差异。当水分含量从21.65% 逐步下降到13.67%、4.95%时，相对空白样，对应的薄片导热系数增幅由13.97%分别增加到34.95%、35.30%。