应用热分析技术研究新型烟草烟气

加热卷烟烟草基质与烟气释放成分相关规律方面，国内也开展了一些相关研究。如:霍现宽［20］等研究了不同的烟叶原料在加热非燃烧状态下的烟气香味成分释放特征。唐培培［21］等和胡安福［22］等研究了甘油和丙二醇对烟叶热性能及加热状态下烟气释放的影响。周顺［23］等研究了低温加热状态下烤烟气溶胶释放量及其影响因素。众所周知，温度设计和甘油含量选择是加热不燃烧卷烟设计的基础关键技术。在利用热分析技术开展此类研究方面，艾明欢［24］等采用热重-红外联用分析仪（TG-FTIR），在100 mL/min的空气流量和20℃/min的升温速率条件下，测试了甘油含量0～30%的烟草基质的热失重、气态产物组成随温度（30～400℃）的变化规律。结果表明:烟草基质主要的失重阶段处于130～360℃之间，该温度区间的失重速率极大值点有2个，1个处于200～235℃之间，另1个处于297～310℃之间。烟草基质甘油含量在20%～30%时，150℃即释放出易挥发小分子，如烟碱、碳水化合物、酚类和有机酸类、烷烃和烯烃类化合物等；但甘油含量在0～10%时，要到200℃以上上述这些物质才会出现。在4个失重阶段的失重速率极大值点附近温度下（100、200、300和400℃），甘油含量对受热释放物中各类成分的比例产生了影响。

表7-12　样品信息

图7-36　样品的TG/DTG-温度曲线

从图7-36的TG和DTG曲线可以看出，30～400℃温度区间内，4种样品（表7-12）的热失重呈现出四个阶段。4种样品的主要失重都发生在130～360℃之间，0SCC的最大失重阶段为第三阶段，其余3种含甘油的样品的最大失重阶段为第二阶段，即，甘油的添加导致了最大失重阶段转移至更低的温度区间。甘油的加入对第一阶段的结束温度和失量影响较小；随着甘油含量的增加，样品第二阶段的失重和结束温度都在显著地提高；样品第三阶段的失重随着甘油含量增加而下降，但其结束温度随着甘油含量的增加有轻微的上升趋势；样品第四阶段的结束温度都为程序设定的终止温度（400℃），甘油含量对第四阶段的失重影响极小。

由受热释放物红外图谱（图7-37至图7-40）分析可知:相比0%及10%甘油含量的烟草基质，20%和30%甘油含量的烟草基质可以促使易挥发的小分子如烟碱、碳水化合物、酚类和有机酸类、烷烃和烯烃类化合物等的出现温度由200℃降低至150℃。相比于其他低甘油含量的烟草基质，30%甘油含量的烟草基质可以促使一氧化碳的出现温度由250℃降低至200℃。另外，在四个失重阶段的失重速率极大值点附近温度下（100、200、300和400℃），甘油含量对受热释放物中各类成分的比例产生了影响。研究得出结论:加热卷烟烟草基质的失重速率极大值点有2个，其对应的热失重速率值有较大差异且与甘油含量有关，1个处于200～235℃之间，另1个处于297～310℃之间。从能量利用效率最高的角度来考虑，这2个极大值点附近更有可能成为产品设计时考虑的主要加热温度区间。200℃和300℃时，甘油含量对受热释放物中各类成分的比例产生了影响。这也就指出了2个极大值点的受热释放物对应的口味可能会有差异。

图7-37　0SCC受热释放物红外图

图7-38　10SCC受热释放物红外图

图7-39　20SCC受热释放物红外图

图7-40　30SCC受热释放物红外图(www.xing528.com)

曹芸［25］等为揭示加热状态下烟草颗粒烟气释放规律，采用湿法造粒技术，利用热分析仪（TGA）和锥型量热仪（CONE）研究甘油添加量与温度对其热解和烟气释放特性的影响。结果表明:第一，添加甘油可降低烟草颗粒主要失重过程温度，增加低温下失重比例，并提高低温下失重速率。第二，增加甘油含量，烟草颗粒起始释烟速率增大，累积释烟总量增加，但过高的添加量（35%）会降低累积释烟总量；导热性较好的烟草样品释烟速率最大；甘油的添加降低了CO释放量，但与添加量的关系不明显。第三，升高温度，烟气释放速率增大，释烟过程缩短，累积释烟总量先增大后降低，温度过高（400℃）烟草颗粒发生燃烧，烟气中CO与CO2释放量随温度升高大幅增加，且两者释放规律与烟气释放规律一致。

由表7-13的样品信息和图7-41所示的TG曲线和DTG曲线可以看出，在空气氛围下，对照样品存在四个主要失重阶段:50～140℃为第一失重阶段，样品失重速率较小，失重曲线变化平缓，该过程主要是样品中自由水的挥发。加热至220℃，失重速率增大，烟草材料中易挥发小分子释出。烟草颗粒在220～403℃快速失重，挥发性物质进一步释放，并且生物大分子的主链发生有氧裂解而生成焦炭，并在322℃时失重速率达到最大，为8.077%·min-1。该阶段失重比例达到42.28%，为样品的主要失重阶段。升温至403℃以上时，烟草颗粒主要发生焦炭的燃烧，反应结束后热解残留物占比为16.4%。DTG曲线（图7-41B）显示，不同甘油添加量的烟草颗粒失重过程基本一致，主要表现为:与对照样品相比，添加甘油后烟草颗粒第1失重过程基本维持不变。140～315℃温度区间失重速率急剧增大，且随甘油添加量增加呈上升趋势，失重比例达到50%以上，为样品主要失重阶段，相较于对照样品主要失重温区（220～403℃）而言，添加甘油后烟草颗粒主要失重温区向低温方向移动。320～370℃失重速率减小，较对照样而言，该阶段烟草颗粒失重比例显著减小，且随甘油添加量增加呈减小趋势。继续升温，DTG曲线在416℃处出峰，且质量损失速率与甘油添加量无关，可能是由于甘油与烟草中的酸类物质发生反应，生成的产物进一步挥发分解。在焦炭燃烧阶段，甘油的添加使其失重过程发生不同程度延迟。

表7-13　不同甘油含量的烟草颗粒样品

图7-41　不同甘油含量烟草颗粒TG（A）和DTG（B）曲线

由图7-42至图7-45可以看出:添加甘油后，烟草颗粒主要失重温区提前至140～315℃，且失重速率随添加量增加逐渐增大，低温下失重比例超过50%。随着温度的升高，释烟速率逐渐增大，起始释烟时间前移，持续释烟时间缩短，累积释烟总量先增大后降低，在400℃加热条件下烟草颗粒发生燃烧；CO与CO2释放量随温度升高大幅增加，且两者整体释放规律与烟气释放规律一致。350℃加热条件下，随甘油添加量增加，起始释烟速率增大，累积释烟总量增加，且导热性最好的样品具有最大释烟速率，但添加量过多（35%）可能会影响烟粉之间黏结紧实性，使得累积释烟总量降低。添加甘油后，CO与CO2释放速率和释放总量均明显降低。

图7-42　不同温度下烟草颗粒释烟速率（A）与累计释烟总量（B）曲线图

图7-43　不同温度下CO（A）与CO2（B）释放速率随时间变化曲线

图7-44　不同甘油含量样品的释烟速率（A）与单位面积累积释烟总量（B）曲线图

图7-45　不同甘油含量样品CO（A）与CO2（B）释放速率随时间变化曲线