一种具有降温功能的复合滤嘴棒及其应用
阅读说明：本技术 一种具有降温功能的复合滤嘴棒及其应用 (Composite filter tip rod with cooling function and application thereof ) 是由 刘华 王东方 黄治 丁康钟 李曦 曾天一 何蓉 齐延鹏 吴金凤 于 2021-08-31 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种具有降温功能的复合滤嘴棒及其应用,涉及卷烟滤棒技术领域,一种具有降温功能的复合滤嘴棒,所述滤嘴棒设置有中空管段,所述滤嘴棒上于靠近中空管段远离卷烟烟丝的一端开设有若干通气孔,若干所述通气孔沿着滤嘴棒的圆周均匀排列,且若干所述通气孔均设置于同一水平面上,所述滤嘴棒还包括异形过滤段,所述异形过滤段设置有一个或多个贯穿异形过滤段两端的孔道。本发明的一种具有降温功能的复合滤嘴棒,通过设置的中空管段和通气孔相配合,利用文丘里效应,将外界空气吸入滤嘴棒内,达到降低烟气温度的效果。(The invention discloses a composite filter rod with a cooling function and application thereof, and relates to the technical field of cigarette filter sticks. According to the composite filter tip rod with the cooling function, the hollow pipe section is matched with the vent hole, and external air is sucked into the filter tip rod by utilizing the Venturi effect, so that the effect of reducing the temperature of smoke is achieved.)
技术领域
本发明涉及卷烟滤棒技术领域，尤其涉及一种具有降温功能的复合滤嘴棒及 其应用。
背景技术
加热不燃烧卷烟由于以密闭加热代替燃烧使烟草成分蒸馏和裂解释放烟气， 且加热温度在200℃～400℃，加热不燃烧卷烟产生的有害成分减少、无阴燃， 有害成分释放量相对较低，但与此同时其释放烟气量与烟气浓度较低。为满足吸 烟者要求，此类卷烟一般长度较短、烟气吸阻较低，以改善入口烟气口感。文献 表明传统卷烟烟气在被吸入消费者口腔之前经烟条与滤棒过滤后，温度会有所下 降，但到达口腔的主流烟气温度仍能够达到35℃～90℃，在抽吸接近结束的前 2～3口抽吸时，滤嘴端的烟气温度最高可达70℃～80℃，在深度抽吸模式下滤 嘴端的烟气温度最高温度可达100℃左右，无滤棒卷烟烟气主流温度还要提高 28％左右，消费者之所以未感觉灼热是因为烟气相对干燥，而加热不燃烧卷烟产 生的气溶胶虽然本身温度较低，但由于加热温度低，烟气含水量高，且烟气通路 缩短，到达口腔的主流烟气感官温度还要高于传统卷烟。
一般情况下，同一参比状态下，同一物质固、液、气态热焓量依次增加，即 其热能含量依次增加，也即摄取同样温度的固、液、气体时，人体的感官温度依 次增加，因此消费者吸食加热不燃烧卷烟时会有一定的灼热感，且对消费者口腔 黏度、气管粘膜等造成一定损伤，卷烟抽吸后段由于烟气热交换时间的进一步缩 短导致灼热感更甚，影响卷烟抽吸品质。目前国内外在此方面进行了大量研究， 其降温措施主要集中在添加降温材料和设计降温结构两方面。
现有的卷烟烟气降温，大多采用在滤嘴中加入吸入材料的方式。如现有的专 利名称为“一种内含中空降温部件的中空支撑元件及包含其的烟支”，专利号为“CN110250560A”；专利名称为“一种聚乳酸丝材复合成型滤嘴棒”，专利号为“CN109846084A”的中国发明专利；在滤棒中加入了聚乳酸、聚乙烯、爆珠、 凝胶等主要的吸热降温材料，但是这些材料在使用的过程中容易塌缩，影响用户 的使用体验，也有如现有的专利名称为“一种降温嘴棒、发烟制品及应用”，专 利号为“CN109588771B”的中国发明专利，通过在滤嘴棒中涂布相变材料的方式， 但是由这种方式在卷烟抽吸的过程中，烟气会和涂布的相变材料直接接触，在相 变材料发生相变后，不可避免的会在烟气中产生携带，影响烟气的口感，甚至可 能会影响身体健康。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于设计提供一种具有降温功能的复合滤嘴棒 及其应用，通过设置的中空管段和通气孔相配合，利用文丘里效应，将外界空气 吸入滤嘴棒内，达到降低烟气温度的效果。
本发明通过以下技术手段解决上述技术问题：
一种具有降温功能的复合滤嘴棒，所述滤嘴棒设置有中空管段，所述滤嘴棒 上于靠近中空管段远离卷烟烟丝的一端开设有若干通气孔。
进一步，若干所述通气孔分为一排或一排以上沿着滤嘴棒的圆周均匀排列， 且每排所述通气孔均设置于同一水平面上。
进一步，所述通气孔与中空管段之间的最短距离尺寸为1-2mm。
进一步，当所述通气孔为两排时，相邻两排所述通气孔之间的距离尺寸为 0.8-1.5mm。
进一步，所述滤嘴棒还包括异形过滤段，所述异形过滤段设置有一个或多个 贯穿异形过滤段两端的孔道。
进一步，所述滤嘴棒还包括醋纤过滤段，所述中空管段的一端与醋纤过滤段 连接，另一端与异形过滤段连接，所述醋纤过滤段、中空管段、异形过滤段外包 裹有成型纸，所述通气孔开设于成型纸上醋纤过滤段对应的位置。
进一步，所述滤嘴棒还包括醋纤过滤段，所述异形过滤段的一端与醋纤过滤 段连接，另一端与中空管段连接，所述醋纤过滤段、中空管段、异形过滤段外包 裹有成型纸，所述通气孔开设于成型纸上异形过滤段对应的位置。
进一步，所述醋纤过滤段、异形过滤段和中空管段的长度尺寸比为 1:(1-1.5):(1-2)。
进一步，所述醋纤过滤段的长度尺寸为7mm，异形过滤段的长度尺寸为10mm， 中空管段的长度尺寸为13mm，或者，醋纤过滤段、异形过滤段、中空管段的长 度尺寸均为10mm，或者，所述醋纤过滤段的长度尺寸为7mm，异形过滤段的长度 尺寸为13mm，中空管段的长度尺寸为10mm。
进一步，所述滤嘴棒的圆周尺寸为16-25mm。具体为16.8mm、18.8mm、21.8mm、22.3mm或24.0mm。
进一步，所述异形过滤段的表面设置有一个及以上孔道。
进一步，所述孔道的横截面呈三角形结构，所述异形过滤段的横截面呈齿轮 状结构。
进一步，所述孔道的深度尺寸为1.6mm-2.4mm。
进一步，所述异形过滤段还可以是仅有中心位置开设有一个孔道的结构。
进一步，所述透气通道总的横截面积为7.2mm2-16.8mm2。
进一步，本发明还公开了上述的复合滤嘴棒在卷烟或不燃烧烟中的应用。
此外，本发明为了进一步提高复合滤嘴棒的降温效果，还对中空管段进行了 设计，本发明的中空管段为具有微孔结构的纸管，该纸管是以废纸纸浆、导热颗 粒、相变吸热微胶囊为原料，干燥成型后制成。
本发明的中空管段以废纸纸浆作为原料，废纸可以来源于卷烟制作过程中所 丢弃的包装纸、卷烟纸的边角料，将废物利用，节能环保，能够在一定程度上降 低成本；且加入了导热颗粒和相变吸热微胶囊，一方面导热颗粒能够作为纸管的 增强填料，增加纸管的强度，使得其在保存或使用的过程中不容易发生变形；另 一方面，导热颗粒能够增加中空管段的导热性能，使得烟气在经过中空管段的时 候能够导出更多的热量，结合相变吸热微胶囊对烟气中的热量进行吸收，从而能 够更多的降低烟气的温度，最后再结合本发明的结构上所带来的降温效果，使得 烟气进入抽吸者口腔的温度更适合，口感也更好。
另外，本发明的中空管段，将相变吸热微胶囊作为原料，和纸管形成一体结 构，一方面，在烟气经过中空管段内时不会和相变材料进行直接接触，使用更健 康，且由于添加了导热颗粒联合使用，因此，依然具有较高吸热速率；另一方面， 纸管对相变吸热微胶囊也起到支撑固定的作用，在使用的过程中不会发生塌缩的 情况。
进一步，所述导热颗粒为纳米片状铁掺杂多孔炭。
纳米片状的结构，使得导热颗粒具有更大的导热面积，且对纸管具有更好的 增强效果，而采用铁掺杂的多孔碳，一方面多孔碳具有良好的导热性能，多孔碳 的多孔结构和纸管的多孔结构相配合，还能够在一定程度上对烟气中的有害物质 进行吸附；另一方面，在多孔碳中掺杂铁，使得其具有一定的磁性，方便在纸管 制备的过程中，让导热颗粒尽可能的和纸管的轴向中心线相平行。
进一步，所述相变吸热微胶囊是以石蜡烃类混合物为囊芯，海藻酸钠、明胶 混合物为囊皮，采用复凝聚法制备而成，其中所述海藻酸钠和明胶的质量比为 1:3。
海藻酸钠、明胶均具有较强的亲水性，采用海藻酸钠、明胶混合物作为相变 吸热微胶囊的囊皮，能够使相变吸热微胶囊均匀稳定地分散在中空纸管的原料 中，且以海藻酸钠和明胶的混合物作为囊皮，制备得到的相变吸热微胶囊的表面 光滑，韧性更好，能够更好的保护内部的囊芯，防止在保存或使用的过程中发生 破裂。
进一步，所述中空管段的制备方法为：
S1：取150-200重量份废纸纸浆，加入3-5重量份碳酸氢钠搅拌至完全溶解 得到原纸浆；
S2：取10-15重量份导热颗粒搅拌分散于去离子水中，再加入硅烷偶联剂， 升温至50-60℃温度下，保温回流处理2-3h，取出用去离子水清洗至中性，烘干 得到改性导热颗粒；
S3：将改性导热颗粒和10-12重量份相变吸热微胶囊搅拌混合均匀后，加入 原纸浆中，搅拌分散后加入5-10重量份纳米纤维素，持续搅拌分散1h后，置于 磁感应强度为1-3T的磁场中，持续搅拌处理30min后，得到混合纸浆；
S4：将混合纸浆立即均匀、缓慢的倒入纸管模具，于90℃温度下干燥成型 得到中空管段。
本发明的磁场的磁场方向和装混合纸浆的容器的轴向方向平行，在磁场的作 用下，导热颗粒受到磁场的影响，也会直立起来，因此，在将其倒入纸管模具中 后，导热颗粒和纸管的轴向中心线相平行，进而在使用的过程中，能够在一定程 度上增加导热颗粒和烟气的接触面积；同时，在纸管制备的过程中加入了碳酸氢 钠，在干燥的时候，碳酸氢钠受热发生分解产生气体，从而在纸管的表面形成大 量的微孔，使得最终得到的纸管具有多孔的结构；另外，本发明在纸管的制备过 程中还加入了纳米纤维素，纳米纤维素表面具有较多的游离羟基，在纸管成型的 过程中，能够和纸浆中的纤维、导热颗粒、相变吸热微胶囊之间形成氢键而紧密 的结合在一起，有利于增加纸管的硬度。
进一步，所述导热颗粒的制备方法为：将七水合硫酸亚铁加入腐殖酸铵溶液 中，加热升温至50℃持续搅拌1h，再加入邻二氮杂菲，搅拌混合均匀后置于反 应釜中，于180℃温度下反应6h，反应完成后，于90℃温度下剧烈搅拌蒸干， 得到固体充分碾磨后置于管式炉中，在氮气气氛下，于200℃温度下保温处理 30min，再升温至700℃保温1h，最后升温至900℃保温4h，处理完成后冷却至 室温，取出后用2mol/L氢氧化钠溶液回流2h，用去离子水洗涤至中性，于100℃ 温度下烘干，得到导热颗粒。
本发明的有益效果：
1.本发明的一种具有降温功能的复合滤嘴棒，利用文丘里效应，设置了中空 管段和吸气孔，在抽吸的时候，烟气先通过中空管段，再流经其他过滤部分，其 它过滤部分烟气的过流端面必然会比中空管段小，而由于烟气的过流端面缩小， 会使得烟气的流速增大，进而使得流体的压力降低，从而在高速流动的烟气附近 产生负压，而吸气孔正好设置于产生负压的区域，能够产生更好的压差，将外界 空气吸入滤棒内，从而达到降低烟气温度的效。
2.本发明的一种具有降温功能的复合滤嘴棒，对中空管段进行设计，具有更 好的吸热导热性能，且在使用的过程中烟气不会和相变材料直接接触，更健康。
3.本发明中的中空管段，将导热颗粒、相变吸热微胶囊集合到中空管段本体 上，不仅在使用的过程中不会发生塌缩，并且导热颗粒还能够对中空管段起到增 强的效果。
附图说明
图1是本发明一种具有降温功能的复合滤嘴棒实施例一的结构示意图；
图2是本发明一种具有降温功能的复合滤嘴棒实施例二的结构示意图；
图3是本发明一种具有降温功能的复合滤嘴棒实施例三的结构示意图
图4是本发明异形过滤段的横截面的示意图(齿轮状)；
图5是本发明异形过滤段的横截面的示意图(C形)；
其中，中空管段1、异形过滤段2、醋纤过滤段3、通气孔4、孔道5。
具体实施方式
以下将结合具体实施例对本发明进行详细说明：
本发明的一种具有降温功能的复合滤嘴棒，包括中空管段1、异形过滤段2 和醋纤过滤段3，醋纤过滤段3、异形过滤段2和中空管段1的长度尺寸比为 1:(1-1.5):(1-2)，滤嘴棒上于靠近中空管段1远离卷烟烟丝的一端开设有若干 通气孔4，通气孔4的数量为两个或两个以上，通气孔4的总的面积为 0.55-0.6mm2，吸气孔的大小根据吸气孔的数量进行选择即可，通气孔4的形状 可以按照实际情况进行选择设置为圆形、椭圆形、三角形等等，所有通气孔根据 实际数量分为一排或一排以上，相互平行的沿着滤嘴棒的圆周均匀排列，且每排 通气孔均设置于同一水平面上，优选的，通气孔的数量为两排，两排吸气孔之间 可以整齐或错序排列，通气孔4与中空管段1之间的最短距离尺寸为1-2mm，且 两排所述吸气孔之间的距离尺寸为0.8-1.5mm，异形过滤段2设置有一个或多个 贯穿异形过滤段2两端的孔道5。另外，本发明为了进一步提高复合滤嘴棒的降 温效果，还对中空管段1进行了设计，中空管段1为具有微孔结构的纸管，该纸 管是以废纸纸浆、导热颗粒、相变吸热微胶囊为原料，干燥成型后制成。而相变 吸热微胶囊是以石蜡烃类混合物为囊芯，海藻酸钠、明胶混合物为囊皮，采用复 凝聚法制备而成，这在现有技术中已经很常见，在此不进行赘述，其中所述海藻 酸钠和明胶的质量比为1:3。具体如下：
实施例一
如图1、图4所示，本实施例的复合滤嘴棒，中空管段1的一端与醋纤过滤 段3连接，另一端与异形过滤段2连接，醋纤过滤段3、中空管段1、异形过滤 段2外包裹有成型纸，通气孔4开设于成型纸上醋纤过滤段3对应的位置，本实 施例的通气孔，总共为60个，分为两排，整齐排列设置，醋纤过滤段3的长度 尺寸为7mm，异形过滤段2的长度尺寸为13mm，中空管段1的长度尺寸为10mm， 异形过滤段2的表面设置有多个孔道5，孔道5的横截面呈三角形结构，从而使 得异形过滤段2的横截面呈齿轮状结构，孔道5的深度尺寸为2.4mm，孔道5总 的横截面积为16.8mm2。
实施例二
如图2、图4所示，本实施例的复合滤嘴棒，异形过滤段2的一端与醋纤过 滤段3连接，另一端与中空管段1连接，醋纤过滤段3、中空管段1、异形过滤 段2外包裹有成型纸，通气孔4开设于成型纸上异形过滤段2对应的位置，本实 施例的通气孔，总共为40个，分为两排，错序排列设置，且醋纤过滤段3的长 度尺寸为7mm，异形过滤段2的长度尺寸为10mm，中空管段1的长度尺寸为13mm， 异形过滤段2的表面设置有多个孔道5，孔道5的横截面呈三角形结构，异形过 滤段2的横截面呈齿轮状结构，孔道5的深度尺寸为1.8mm，孔道5总的横截面 积为10mm2。
实施例三
如图3、图5所示，本实施例的复合滤嘴棒，和实施例二相比，其不同之处 在于，异形过滤段2仅在中心位置开设有一个孔道5，孔道5的横截面可以是各 种形状，如C形、心形、星形、三角形、圆形等，本实施例选择孔道5的横截面 为C形，孔道5总的横截面积为7.2mm2。
实施例四
本实施例的复合滤嘴棒与实施例一相比，其不同之处在于，本实施例中的中 空管段1采用以下方法制备而成。
导热颗粒的制备
将七水合硫酸亚铁加入腐殖酸铵溶液中，其中，七水合硫酸亚铁和腐殖酸铵 质量比1.5:1，加热升温至50℃持续搅拌1h，再加入3倍七水合硫酸亚铁的质 量的邻二氮杂菲，搅拌混合均匀后置于反应釜中，于180℃温度下反应6h，反应 完成后，于90℃温度下剧烈搅拌蒸干，得到固体充分碾磨后置于管式炉中，在 氮气气氛下，于200℃温度下保温处理30min，再升温至700℃保温1h，最后升 温至900℃保温4h，处理完成后冷却至室温，取出后用2mol/L氢氧化钠溶液回 流2h，用去离子水洗涤至中性，于100℃温度下烘干，得到导热颗粒。
中空管段的制备
S1：取150-200重量份废纸纸浆，加入3-5重量份碳酸氢钠搅拌至完全溶解 得到原纸浆；
S2：取10-15重量份导热颗粒搅拌分散于去离子水中，再加入硅烷偶联剂， 升温至50-60℃温度下，保温回流处理2-3h，取出用去离子水清洗至中性，烘干 得到改性导热颗粒；
S3：将改性导热颗粒和10-12重量份相变吸热微胶囊搅拌混合均匀后，加入 原纸浆中，搅拌分散后加入5-10重量份纳米纤维素，持续搅拌分散1h后，置于 磁感应强度为1-3T的磁场中，持续搅拌处理30min后，得到混合纸浆；
S4：将混合纸浆立即均匀、缓慢的倒入纸管模具，于90℃温度下干燥成型 得到中空管段。
对比例一
本对比例和实施例一相比，其不同之处在于，本对比例的复合滤嘴棒没有开 设通气孔。
对比例二
本对比例和实施例一相比，其不同之处在于，本对比例的将实施例一的中空 管段1替换为常规的醋纤嘴棒。
实施例一～实施例四、对比例一～对比例二制备的复合滤嘴棒的圆周尺寸可 以为16-25mm，具体的可以是16.8mm、18.8mm、21.85mm、22.3mm或24.0mm，而 为了方便进行统一测试，本发明实施例和对比例制备的复合滤嘴棒圆周均选择 24.00mm的尺寸，将实施例一～实施例四、对比例一～对比例二制备得到复合滤 嘴棒用于烟气降温效果的检测，同时以现有的常规的醋纤嘴棒作为空白对比，检 测方法为：将相同质量的烟丝分别卷制成烟卷，再分别和各个复合滤嘴棒卷接在 一起制备得到卷烟样品，将卷烟样品在GB/T16447规定的调节大气条件下，在温 度22±1℃、相对湿度60％±3％的恒温恒湿箱中调节48h，然后将卷烟样品放至 直线吸烟机上进行抽吸，抽吸容量为35mL，每口抽吸时间为2s，每分钟抽吸一 口，直至卷烟样品燃尽，同时在开始抽吸之前在距离复合滤嘴棒端部1-2mm处放 置热电偶进行测温，热电偶靠近复合滤嘴棒的中心处，放置完成后开始抽吸。
检测结果如表1所示：
表1
通过上表可以看出，采用本发明制备得到的复合滤嘴棒，其对烟气具有明显 的降温效果，使得入口温度更适宜，而通过实施例一～实施例三的数据对比可以 看出，实施例二制备得到的复合滤嘴棒的降温效果最好，而通过实施例和对比例 的数据对比则证明，本发明中的通气孔和中空纸管之间的配合关系是得到降温效 果的必要手段，二者缺一不可，而通过实施例一和实施例四的数据对比可以看出， 将中空管段替换为本发明制备得到的纸管后，能够进一步降低主流烟气的温度， 降温效果更好。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对 本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术 方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵 盖在本发明的权利要求范围当中。本发明未详细描述的技术、形状、构造部分均 为公知技术。
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