一种烟用爆珠芯材及其制备方法与应用
阅读说明：本技术 一种烟用爆珠芯材及其制备方法与应用 (Bead blasting core material for cigarettes and preparation method and application thereof ) 是由 段丽萍 苗丽坤 孙炜炜 刘吟 邵佩 于 2021-09-08 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种烟用爆珠芯材及其制备方法与应用。利用改性石墨烯气凝胶优良的吸附性能,将改性石墨烯气凝胶作为吸附材料吸附液态香精香料。由于改性石墨烯气凝胶具有较高的压缩回弹性,其可以通过挤压来实现改性石墨烯气凝胶的伸缩形变,该性能使得改性石墨烯气凝胶吸附液态香精香料后,可通过挤压的方式来实现香精香料的释放,控制挤压的力度可实现缓慢释放香精香料的目的。此外改性石墨烯气凝胶立体的三维结构作为有效地支撑材料可以有效地提高爆珠的机械强度。该改性石墨烯气凝胶,一方面由于丰富的多孔结构与比表面积可以实现足够的香精香料吸附量,再者丰富的吸附位点可保证香精香料分子不会脱吸附,可以实现香精香料的有效保存。(The invention discloses a bead blasting core material for cigarettes and a preparation method and application thereof. The modified graphene aerogel is used as an adsorption material to adsorb liquid essence and spice by utilizing the excellent adsorption performance of the modified graphene aerogel. Because modified graphene aerogel has higher compression resilience, it can realize the flexible deformation of modified graphene aerogel through the extrusion, and this performance makes modified graphene aerogel adsorb liquid essence spices after, and the release of essence spices is realized to accessible extruded mode, and the purpose of slowly releasing essence spices can be realized to control extruded dynamics. In addition, the three-dimensional structure of the modified graphene aerogel can be used as an effective supporting material to effectively improve the mechanical strength of the bead blasting. This modified graphene aerogel on the one hand can realize sufficient essence spices adsorption capacity because abundant porous structure and specific surface area, and moreover abundant adsorption site can guarantee that essence spices molecule can not take off the absorption, can realize the effective save of essence spices.)
技术领域
本发明属于卷烟生产技术领域，特别涉及一种烟用爆珠芯材及其制备方法与应用。
背景技术
爆珠烟，是将包裹着液态香精香料的具有半透膜或密封的胶囊，植入卷烟滤嘴中，使用时按捏该胶囊致其破裂，使其内置的液态香精香料融入滤棒纤维，可以达到卷烟增香、丰富口感层次等效果。由于胶囊破裂时发出轻微声响，故俗称“爆珠”。爆珠，也称做香丸、脆性胶囊、珠子。爆珠是卷烟赋香、增香保润的技术新途径，是品类构建工作中“可感知”的有效支撑，也是卷烟品牌年轻化、个性化的实现手段。爆珠添加作为一种卷烟赋香的新技术，实现了卷烟增香和丰富口感层次的作用，为卷烟品类构建提供更为直接的感知支撑手段，成为当前推动卷烟产品供给侧结构性改革的重要思路。
液态香精香料称为芯材，卷烟爆珠按芯材的性质可以分为酯溶性与醇溶性两种，对应的包裹体系即水相包裹油相、油相包裹水相。目前市面上爆珠卷烟的内容物主要由长链酯溶性溶剂和非极性致香物质组成，即酯溶性香精香料，采用的包裹体系为水相包裹油相体系，此类爆珠不可以包裹水溶性或醇溶性的芯材，其壁材具有亲水性，易以 H 键结合的方式发生溶胀。而醇溶性的芯材优选的壁材材料为壁材不能有亲水性的官能团，且最好有较为致密的内部微观结构，具有对水的低溶解系数和低扩散系数，材料微观结构上，其内部结构孔隙或空隙越少，水分子“逃逸”路径少，因此阻隔性能越好。因此，在制备卷烟爆珠的过程中不仅要考虑芯材的配方，更要根据芯材的类型考虑包裹其壁材的制备，壁材的好坏直接影响芯材的储存效果。
为保证爆珠中的液态香精香料稳定的存储在爆珠壁材内，现有技术中研究人员通过添加各种改性成分来实现爆珠壁材的稳定性，一方面希望提供壁材较高的对外阻隔性能，防止爆珠外界的空气和水分与爆珠内部的香精香料产生物质交换，影响爆珠的质量；另一方面又希望在能快速捏破爆珠的过程中又能实现缓慢释放爆珠中的香精香料的目的。为制备出较好阻隔性能的爆珠壁材，通常需要选则聚合度高与分子量大的高分子材料，阻隔性能提升上去了，但是在捏爆爆珠的过程中由于聚合度较高通常需要使用较大的力量捏破爆珠，该过程中会导致壁材破口度大，刚捏破珠子的时候香味过于浓烈，但随着卷烟的燃吸，特征香气就变得非常寡淡口，影响抽吸感。
发明内容
针对上述现状，本发明的目的在于提供一种烟用爆珠芯材及其制备方法与应用，所制得的爆珠芯材具有一定的弹性可伸缩性能和机械强度，通过控制挤压的力度可实现香精香料的缓慢释放，而且减少了爆珠芯材对壁材材料选择的依赖性；所述爆珠芯材经壁材包裹后制得的烟用爆珠既可有效防止爆珠芯材的泄露，又能防止爆珠外界的空气和水分与爆珠内部的香精香料产生物质交换，影响爆珠的质量。
石墨烯气凝胶是石墨烯片层相互堆叠组装的三维、多孔网络结构，具有优良的力学性能、极大的比表面积、超轻的密度、较大的孔隙率。因为石墨烯气凝胶具有良好的疏水性，使其成为吸附有机物的理想材料。石墨烯气凝胶不仅具有单片层石墨烯固有的理化性质，多孔的网络结构还使其具有密集的孔隙率和很强的机械强度，可以很好的改善吸附效果。
石墨烯气凝胶的特性使其应用在有机物吸附方面再合适不过，石墨烯气凝胶中细密均匀的孔隙为吸附有机物提供了许多吸附位点，也减少了有机物进入石墨烯气凝胶内部的阻力和距离，使吸附更加便利。此外，石墨烯气凝胶所含的官能团使其便于进一步修饰，以提高石墨烯气凝胶的吸附能力以及对选择超疏水、高强度油水分离材料的构建及其吸附能力的研究。组装石墨烯气凝胶采用最多的前驱体一般为氧化石墨烯，氧化石墨烯片层上有很多的含氧官能团，如COOH、-C-O-C-、-OH等，这有利于对氧化石墨烯进一步修饰，比如掺杂氮、磷等无机元素或者引入其他添加物到其中，这些修饰都能不同程度改变石墨烯气凝胶的物化特性，因此，不同制备过程得到的石墨烯气凝胶物化性能也不尽相同，将石墨烯气凝胶进行改性后可进一步提高其性能。
利用改性石墨烯气凝胶优良的吸附性能，可将改性石墨烯气凝胶作为吸附材料吸附液态香精香料，由于改性石墨烯气凝胶大的比表面积与丰富的多孔结构和吸附位点，可以有效地容纳液态香精香料。改性石墨烯气凝胶具有较高的压缩回弹性，因此可通过挤压实现重复吸附-脱附过程，从而实现对油类和有机溶剂的连续吸附。该性能使得改性石墨烯气凝胶吸附液态香精香料后，可通过挤压的方式来实现香精香料的释放，控制挤压的力度可实现缓慢释放香精香料的目的。此外改性石墨烯气凝胶立体的三维结构作为支撑可以有效地提高爆珠的机械强度。改性石墨烯气凝胶作为吸附与支撑液态香精香料的基质，一方面由于丰富的多孔结构与比表面积可以实现足够的香精香料吸附量，再者丰富的吸附位点可保证香精香料分子不会脱吸附，可以实现香精香料的有效保存。
为实现上述目的，本发明提供一种烟用爆珠芯材，其组成包含改性石墨烯气凝胶与香精香料；其中所述改性石墨烯气凝胶作为吸附剂和支撑基质，香精香料吸附容纳在改性石墨烯气凝胶中。
本发明还提供了一种烟用爆珠芯材的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：制备改性石墨烯气凝胶；
步骤2：将步骤1中制备的改性石墨烯气凝胶与过量的香精香料混合，制得所述爆珠芯材。
本发明较优的技术方案：步骤1所述改性石墨烯气凝胶的制备方法为：将活化后的三聚氰胺海绵置于氧化石墨烯溶液中吸附氧化石墨烯，待吸附饱和后将该三聚氰胺海绵经冷冻干燥处理，再在80-100℃的烘箱中反应1-2h，即制得改性石墨烯气凝胶。
本发明较优的技术方案：所述氧化石墨烯采用Hummers法制备得到。
本发明较优的技术方案：步骤1还包括将所制备的改性石墨烯气凝胶加工成改性石墨烯气凝胶颗粒。
本发明较优的技术方案：所述改性石墨烯气凝胶颗粒为球形。
本发明较优的技术方案：步骤2所述香精香料为酯溶性香精香料。
本发明较优的技术方案：所述香精香料为组分比例为5:1:2:0.5的柠烯、肉桂酸甲酯、甜橙油、乙基麦芽酚。
本发明还提供了一种烟用爆珠芯材的应用，包括将烟用爆珠芯材用烟用壁材包裹，制得烟用爆珠，应用到卷烟滤嘴中。
本发明提供了一种烟用爆珠芯材，烟用爆珠芯材包含改性石墨烯气凝胶与香精香料，改性石墨烯气凝胶具有大的比表面积与丰富的多孔结构和吸附位点，具有优良的吸附性能，将改性石墨烯气凝胶作为吸附介质吸附容纳烟用香精香料，利用香精香料与吸附位点的紧密吸附力可有效防止香精香料的脱附，改性石墨烯气凝胶具有弹性的可伸缩性能，该性能使得改性石墨烯气凝胶吸附液态香精香料后，可通过挤压的方式来实现香精香料的释放，控制挤压的力度可实现缓慢释放香精香料的目的。改性石墨烯气凝胶强吸附性和亲油疏水的特点，可有效防止爆珠外界的空气和水分进入爆珠内部与香精香料产生物质交换，影响爆珠的质量。此外改性石墨烯气凝胶立体的三维结构作为支撑可以有效地提高爆珠的机械强度。将改性石墨烯气凝胶加工成型大小一致的球状颗粒，可保证爆珠芯材大小的一致性，有利于后续壁材的包裹，爆珠芯材包裹上壁材后，基于香精香料容纳在改性石墨烯气凝胶中，可有效防止爆珠芯材的泄露，同时改性石墨烯气凝胶作为支撑基质可有效提高壁材的机械强度，减少了爆珠芯材对壁材材料选择的依赖性。
本发明的有益效果：
1、本发明提供的一种烟用爆珠芯材，以改性石墨烯气凝胶作为容纳香精香料的基质，改性石墨烯气凝胶具有大的比表面积与丰富的多孔结构和吸附位点，具有优良的吸附性能，利用香精香料与吸附位点的紧密吸附力可有效防止香精香料的脱附。
2、本发明提供的一种烟用爆珠芯材，以改性石墨烯气凝胶作为容纳香精香料的基质，改性石墨烯气凝胶具有弹性的可伸缩性能，该性能使得改性石墨烯气凝胶吸附液态香精香料后，可通过挤压的方式来实现香精香料的释放，控制挤压的力度可实现缓慢释放香精香料的目的。
3、本发明提供的一种烟用爆珠芯材，其中的改性石墨烯气凝胶可加工成型大小一致的球状颗粒，可保证爆珠芯材大小的一致性，有利于后续壁材的包裹，提高产品的均一性。
4、本发明提供的一种烟用爆珠芯材，爆珠芯材包裹上壁材后，基于香精香料容纳在改性石墨烯气凝胶中，可有效防止爆珠芯材的泄露，同时改性石墨烯气凝胶作为支撑基质将爆珠芯材制为固体颗粒状，可有效提高爆珠的机械强度，减少了爆珠芯材对壁材材料选择的依赖性。
附图说明
图1、实施例1所制备的改性石墨烯气凝胶的扫描电镜图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明，但实施例并不是对本发明技术方案的限定。任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可借鉴本发明内容，适当改变原料、工艺条件等环节来实现相应的其它目的，其相关改变都没有脱离本发明的内容，所有类似的替换和改动对于本领域技术人员来说是显而易见的，都被视为包括在本发明的范围之内。
为了更好地解释本发明，以下结合具体实施例进一步阐明本发明的主要内容，但本发明的内容不仅仅局限于以下实施例。
实施例1
一种烟用爆珠芯材的制备方法，具体过程如下：
（1）采用Hummers法制备氧化石墨烯
将150mL浓H2SO4、50 mL浓HNO3和5g天然鱗片石墨（厂家：青岛市伟杰石墨有限公司，型号：32目，＞99％）依次加入到500mL圆底烧瓶中，室温下搅拌24h后，缓慢加入1L的超纯水稀释，过滤洗涤反应产物，之后烘干得到石墨粉。随后，将烘干后的石墨粉、300mL浓H2SO4、4.2g K2S2O8和6.2g P2O5依次加入圆底烧瓶，在80℃下搅拌5h，之后缓慢加入超纯水稀释，过滤、洗涤、干燥得到预氧化的膨胀石墨。将上述所得产物与200mL浓H2SO4混合之后，在低于15℃的情况下缓慢加入15g K2MnO4，升温到35℃，连续搅拌2h，加入2L超纯水和10mL30%H2O2至溶液呈现亮黄色，加入稀HCl洗涤，再用超纯水反复洗涤、离心，直到氧化石墨烯的pH接近中性，标定产物之后，配成2mg/mL的氧化石墨烯溶液备用。
（2）改性石墨烯气凝胶的制备
将三聚氰胺海绵经超纯水和乙醇清洗，烘干后得到活化的三聚氰胺海绵，取配好的氧化石墨烯溶液10ml于玻璃瓶中，加入100mg抗坏血酸，超声10min后，将活化后的三聚氰胺海绵置于氧化石墨烯溶液中浸渍，待吸附饱和后将该三聚氰胺海绵经冷冻干燥处理，再在95℃的烘箱中水热2h，即制得改性石墨烯气凝胶。
（3）烟用爆珠芯材的制备
采用制备球形颗粒的模具将改性石墨烯气凝胶处理为例如35μm的球形颗粒（颗粒尺寸根据实际需要确定），将组分比例为5:1:2:0.5的柠烯、肉桂酸甲酯、甜橙油、乙基麦芽酚混合，制得香精香料，将改性石墨烯气凝胶浸入在过量的香精香料中，采用摇床震荡20min，使得改性石墨烯气凝胶吸附香精香料至饱和，然后将改性石墨烯气凝胶用滤网捞出，直至改性石墨烯气凝胶中无香精香料滴出，即制得爆珠芯材。
实施例2
一种烟用爆珠芯材的制备方法，具体过程如下：
（1）采用Hummers法制备氧化石墨烯
将150mL浓H2SO4、50 mL浓HNO3和5g天然鱗片石墨（厂家：青岛市伟杰石墨有限公司，型号：32目，＞99％）依次加入到500mL圆底烧瓶中，室温下搅拌24h后，缓慢加入1L的超纯水稀释，过滤洗涤反应产物，之后烘干得到石墨粉。随后，将烘干后的石墨粉、300mL浓H2SO4、4.2g K2S2O8和6.2g P2O5依次加入圆底烧瓶，在80℃下搅拌5h，之后缓慢加入超纯水稀释，过滤、洗涤、干燥得到预氧化的膨胀石墨。将上述所得产物与200mL浓H2SO4混合之后，在低于15℃的情况下缓慢加入15g K2MnO4，升温到35℃，连续搅拌2h，加入2L超纯水和10mL30%H2O2至溶液呈现亮黄色，加入稀HCl洗涤，再用超纯水反复洗涤、离心，直到氧化石墨烯的pH接近中性，标定产物之后，配成1mg/mL的氧化石墨烯溶液备用。
（2）改性石墨烯气凝胶的制备
将三聚氰胺海绵经超纯水和乙醇清洗，烘干后得到活化的三聚氰胺海绵，取配好的氧化石墨烯溶液10ml于玻璃瓶中，加入50mg抗坏血酸，超声10min后，将活化后的三聚氰胺海绵置于氧化石墨烯溶液中浸渍，待吸附饱和后将该三聚氰胺海绵经冷冻干燥处理，再在90℃的烘箱中水热1h，即制得改性石墨烯气凝胶。
（3）烟用爆珠芯材的制备
采用制备球形颗粒的模具将改性石墨烯气凝胶处理为例如30μm的球形颗粒（颗粒尺寸根据实际需要确定），将组分比例为4:2:2.5:1的柠烯、肉桂酸甲酯、甜橙油、乙基麦芽酚混合，制得香精香料，将改性石墨烯气凝胶浸入在过量的香精香料中，采用摇床震荡30min，使得改性石墨烯气凝胶吸附香精香料至饱和，然后将改性石墨烯气凝胶用滤网捞出，直至改性石墨烯气凝胶中无香精香料滴出，即制得爆珠芯材。
实施例3
本发明实施例3提供一种以实施例1制备的改性石墨烯气凝胶作为吸附容纳香精香料的基质，制作的烟用爆珠芯材的应用，具体过程如下：
烟用壁材的制备：取一定量的果胶溶于水，配制成1%的果胶溶液，于80℃恒温水浴锅中加热30min。用15%柠檬酸调果胶溶液pH2.6-3.5，并加入70%蔗糖，得到果胶凝胶，静置备用。
在3%的海藻酸钠水溶液中加入1%的甘油，然后再和3%-5%的氯化钙溶液在60℃下进行胶化反应，胶化时间为3-5min，得到海藻酸钠凝胶，静置备用。
将一定量的果胶凝胶、海藻酸钠凝胶和琼脂以6：2：2比例混合均匀，在60-80℃下以650r/min搅拌1-2h，并加入0.08%-0.16%石蜡充分搅拌。经超声脱气后，得到液态壁材，在60-80℃下保温备用。
烟用爆珠的制备：采用滴丸法，通过滴制设备使得热熔状态的壁材通过液体表面张力将实施例1所制备的含改性石墨烯气凝胶的烟用爆珠芯材包裹在壁材中，制得烟用爆珠。并在冷却液中冷凝，制成球形爆珠，然后经脱油、转筒干燥、筛丸、挑选、平衡后包装得最终产品，应用到卷烟滤嘴中。
此外，采用其他的烟用壁材和包裹芯材的技术也可很好的得到烟用爆珠产品。
对比例1
烟用爆珠的制备步骤中使用不含改性石墨烯气凝胶的爆珠芯材（使用以组分比例为5:1:2:0.5的柠烯、肉桂酸甲酯、甜橙油、乙基麦芽酚混合制得的香精香料作为芯材），其他均同实施例3。
对比例2
烟用爆珠芯材的制备步骤中使用氧化石墨烯颗粒球（将实施例1中制备的氧化石墨烯溶液利用凝胶溶胶法制备的氧化石墨烯颗粒球）代替改性石墨烯气凝胶，其他均同实施例1。
评价
（1）对改性石墨烯气凝胶的性能分析：
吸油性能测试
取实施例1所制备的改性石墨烯气凝胶，浸渍到多种有机溶剂和油脂中（甲苯、正己烷、四氯化碳、二甲苯、N,N－二甲基二酰胺、乙酸乙酯、正硅酸乙酯、乙酰丙酮、丙烯酸丁醋、异丙醇、丙酮、真空泵油），10min后取出，待无油品滴落时，称量其吸附后的重量，用如下公式计算其吸附倍数：Q=(m1-m0)/ m0
其中，Q为吸附倍数(g/g)，m0、m1分别为吸附前后的质量(g)。
吸附能力可以评价改性石墨烯气凝胶对油脂与溶剂的吸附容纳能力。为此，我们测试了改性石墨烯气凝胶对各种有机溶剂和不同密度的油的吸附能力，改性石墨烯气凝胶对真空泵油、正己烷、丙酮、四氯化碳、N,N－二甲基二酰胺、乙酸乙酯、正硅酸乙酯、乙酰丙酮、丙烯酸丁酯、二甲苯、异丙醇、甲苯具有超强的吸附能力，对其吸附倍数分别高达127、81、96、161、107、97、116、87、110、105、91、102g/g，吸附能力的差异是由于有机溶剂和油的密度不同造成的。
将改性石墨烯气凝胶制成直径为35μm的球形颗粒，该球形改性石墨烯气凝胶的体积为1.4×10-8 cm3。已知甲苯的密度为0.866 g/cm3，其中体积为1.4×10-8 cm3的容器可以装载甲苯的量为1.2×10-8 g；体积为1.4×10-8 cm3的球形改性石墨烯气凝胶可以容纳的甲苯量为0.8× 10-8 g，以改性石墨烯气凝胶为基质容纳甲苯的量为相同体积容器甲苯容纳量的67%，说明改性石墨烯气凝胶容纳有机溶剂的能力很强。
（2）对烟用爆珠的性状分析
以实施例3与对比例1制备的烟用爆珠作对比，比较采用改性石墨烯气凝胶作为吸附容纳香精香料的基质与不采用基质吸附容纳香精香料，将制备的两种烟用爆珠产品的性状在温度(22±2)℃，湿度(50±10)%下储存一段时间进行评价。
从表1可以看出，以改性石墨烯气凝胶作为吸附容纳香精香料制备的芯材制得的爆珠大小均匀，圆度好，无空壳、气泡和渗油现象，爆珠储藏时间长；表明加入改性石墨烯气凝胶所作出的技术贡献。
（3）对爆珠芯材的压力测试
比较实施例1与对比例2所制备的爆珠芯材的按压强度，具体强度测试方法为采用强度测试设备测试所制得的爆珠芯材在按压过程中发生形变的按压力；具体地，强度测试设备核心包括与压力记录仪相连的电子天平以及上方链接的推压杆，测量时推压杆匀速挤压置于天平平台上的材料（分别为实施例1和对比例2所制得的爆珠芯材），通过记录仪记录压力的变化趋势以及材料发生形变瞬间的作用力，即可测定材料形变的按压力。结果如表2所示：
从表2的结果表明，采用7N的力可使得实施例1的爆珠芯材发生形变，采用30N以上的力才可使得对比例2的爆珠芯材形变，且该形变的后果是含氧化石墨烯颗粒的爆珠芯材破碎。该实验说明改性石墨烯气凝胶的加入可以使得爆珠芯材在合适的按压力下发生形变，通过按压形变可控制将其中吸附容纳的香精液体缓慢挤压出来，从而达到缓释效果。
以上对本发明的实施例进行了示例性说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依据本发明申请范围的均等变化与改进等，均应归属于本发明的专利涵盖范围之内。
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