复合相变材料的制备及其对卷烟滤嘴温度的调控研究

作     者：陈秋平 

作者单位：湖南师范大学 

学位级别：硕士

导师姓名：赵海红;谢国勇

授予年度：2016年

学科分类：08[工学] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0822[工学-轻工技术与工程] 

主      题：卷烟滤嘴 复合相变材料 离子液体 温度检测 温度调控 

摘      要：在卷烟抽吸过程中,过高的滤嘴温度不仅影响滤嘴对烟气有害成分的过滤效果,而且会影响消费者对烟气感官质量的认可度。卷烟滤嘴温度调控研究目前还没见文献报道。本论文针对卷烟滤嘴的特殊环境,研制了担载型、胶囊型以及离子液体键合型三类复合相变材料,并以二段复合滤嘴的形式将复合相变材料添加于卷烟滤嘴,在卷烟抽吸过程中,通过复合材料的相变储热实现对滤嘴温度的有效调控。采用X射线衍射仪（XRD）、傅里叶红外光谱（FT-IR）、氮气吸脱附、扫描电镜（SEM）、差示扫描热分析（DSC）、导热系数仪等对复合相变材料的物化结构和热性能进行了表征。对卷烟燃烧锥气相温度检测装置进行改进,实现卷烟滤嘴温度检测,并且运用类比数理统计中的数学期望和方差两个特征量对滤嘴检测区域温度分布特征进行表征分析。主要内容如下:（1）采用毛细吸附法制备了系列担载型复合相变材料,该方法原料易得、操作简单、成本低。通过考察11种无机或有机相变材料和4种无机介质载体材料,结果表明:二十烷为最佳相变材料,膨胀石墨（EG）为最佳载体材料;当二十烷含量为92 wt%时,二十烷/EG复合相变材料的相变温度为43.1 o C,相变焓为162.9 J/g,导热系数为1.304 W/m·K,导热性能相比于纯的二十烷提高了3.8倍,具有较高的相变潜热和热传导性能,且在受热相变过程中无渗漏。（2）以二十烷为芯材,以海藻酸钠和壳聚糖为壁材,以氯化钙交联剂,运用锐孔-凝固浴法制备了胶囊包裹型复合相变材料（二十烷/海藻酸钠）。结果表明:最优工艺条件为2.0 wt%海藻酸钠溶液、1.5 wt%壳聚糖溶液、2.5 wt%氯化钙溶液,93%二十烷,反应温度45 o C,搅拌转速400 r/min,反应时间90 min,p H≈4。最优条件下制备的二十烷/海藻酸钠胶囊的相变温度为47.9 o C,相变焓为134.6 J/g,导热系数为0.426 W/m·K,冷热循环10次以后相变温度为47.1 o C,相变焓为131.4 J/g,说明该胶囊相变材料具有良好的相变性能和重复稳定性。（3）利用离子液体结构可设计、不挥发和相变性能优良等优点,设计合成了3种具有相变储热功能的咪唑类离子液体材料,并对其固载前后的储热性能进行了研究。结果表明:在所合成的几种离子液体中,[C16MIM]Cl离子液体具有更好的储热性能,相变温度为68.1 o C,相变焓为129.2 J/g;通过浸渍法固载后其相变性能不变但重复稳定性增强。（4）建立了卷烟滤嘴温度场检测及表征方法。以体积平均温度为主要指标,以体积平均温差为辅助指标,表征分析滤嘴温度分布随卷烟抽吸过程的变化规律;并通过滤嘴温度分布的检测和分析,考察了复合相变材料对卷烟滤嘴温度分布的调控作用。对含有不同克重相变材料的滤嘴温度场进行表征,分析与讨论了滤嘴横截面和纵剖面温度场分布、滤嘴体积平均温度和滤嘴体积平均温差。结果显示含有40 mg复合相变材料有最低滤嘴体积平均温度和较低的平均温度差,具有最佳的滤嘴温度调控效果。