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加热非燃烧型烟草制品使用过程中加热而不燃烧烟丝,有害成分释放量较低且能提供消费者一定的烟草特征感受,从而成为当前国际烟草领域的热点。炭棒的供热特性及燃烧过程稳定性直接决定加热非燃烧状态下烟叶原料化学成分释放量,因此炭供热体材料燃烧过程调控成为加热非燃烧型烟草制品研发过程中亟待解决的技术难题。本文首先分析了淀粉水热炭物化特性对其燃烧过程影响机制,在此基础上,对比分析了3种潜在炭供热体材料的燃烧特性和反应动力学,并进一步提出不同化学结构组成的炭供热体材料等比例物理掺混和硼砂催化水热合成两种调控炭供热体燃烧行为的方法,主要包括以下几个方面: 探究淀粉水热炭燃烧行为机理。对淀粉热解炭、淀粉水热炭和不同二次炭化温度处理后的淀粉水热炭进行表征分析,建立水热炭形貌、结构组成等与其燃烧行为之间的内在联系。结果表明:二次炭化处理使得淀粉水热炭O/C和H/C比例降低,含氧官能团和交联呋喃环簇分解,聚合重组形成 sp2杂化的芳烃骨架结构,碳骨架中芳香化程度增大。对于淀粉水热炭,其热失重过程可以明确分为两个阶段,即含氧官能团、sp3杂化碳结构和部分呋喃环的分解导致了低温区(200℃~350℃)热失重速率峰的产生,sp2杂化共轭碳结构的分解导致了高温区(350℃~550℃)失重峰的出现。 3种炭供热体材料燃烧特性及动力学分析。以淀粉水热炭、竹炭和松木炭作为研究对象,采用上述建立方法表征评价3种炭供热体燃烧特性及反应动力学。 结果表明: ①玉米淀粉基水热炭着火点温度较低,在270℃左右,可以作为供热体的引燃材料,燃烧反应前期活化能较低,约为44~56 kJ/mol。3种炭材料中淀粉水热炭石墨化程度最小,竹炭次之,木炭最高,随着石墨化程度的增大,炭材料的热失重温度区间向高温偏移; ②淀粉水热炭在200℃~350℃温度范围内有明显的质量损失,该段燃烧动力学属于化学反应控制,反应级数为3/2。在温度高于350℃以后,3种炭材料的燃烧过程进入扩散控制阶段。 炭供热体材料的燃烧过程调控。分别采用等比例机械掺混和水热过程催化两种途径调控炭供热体材料的燃烧行为。单独燃烧时热失重温度区间不同的五种炭材料(HTC-S、HTC-S-350、HTC-S-550、HTC-S-750和石墨)混合后,着火点温度高于具有最低着火点温度的HTC-S,燃尽温度接近于具有最高燃尽温度的石墨,整体燃烧温度区间变宽,但燃烧过程并不是单组分炭燃烧特性的简单叠加,且不同化学结构炭材料混合燃烧过程较为复杂。对于催化合成过程,硼砂既促进了可溶性淀粉水热成核过程,也能获得含硼的水热炭材料。浓度为0.01mol/L的硼砂溶液制备的水热炭燃烧过程明显变缓,持续燃烧性更好。