鞏效偉，韓熠，李壽波，張霞，陳永寬，楊繼，洪鎏，李廷華，吳俊，朱東來

云南中煙工業(yè)有限責任公司技術中心，昆明市五華區(qū)紅錦路367號 650231

制造技術

電子煙霧化溫度測定及影響研究

鞏效偉，韓熠，李壽波，張霞，陳永寬，楊繼，洪鎏，李廷華，吳俊，朱東來

云南中煙工業(yè)有限責任公司技術中心，昆明市五華區(qū)紅錦路367號 650231

為了解電子煙霧化溫度影響因素和霧化溫度范圍，按照CORESTA推薦電子煙抽吸模式，采用紅外熱成像技術對可注油和預注油霧化器進行霧化溫度測定，采用非導電型熱電偶對一次性連體煙霧化器進行霧化溫度測定。結果表明：（1）對于丙二醇、甘油和1,3-丁二醇三種溶劑，使用混合溶劑時的電子煙霧化溫度高于使用單一溶劑時的霧化溫度；（2）電子煙霧化溫度與加熱絲阻值呈負相關，與工作電壓呈正相關；（3）阻值相同的可注油霧化器，單根發(fā)熱絲的霧化溫度高于雙根發(fā)熱絲的霧化溫度；（4）對于結構相同的一次性連體煙霧化器，氣流通道直徑與霧化溫度呈負相關；且隨著抽吸口數的增加，一次性連體煙霧化器的霧化溫度呈現先升高后降低的趨勢。

電子煙；霧化溫度；霧化器

電子煙（electronic cigarettes，簡稱e-cigarettes），是韓力于2003年發(fā)明的，主要由霧化器、電池和控制元件等組成，其產生煙霧的原理是煙油在電子煙霧化系統的電加熱元件上氣化成高溫蒸汽向開口端噴出，噴出后的蒸汽在大氣中膨脹冷凝成煙狀的微小霧滴，從而形成類似傳統卷煙的煙霧[1]。常見的霧化器主要有可注油式、預注油式和一次性連體式3類。常見的可注油霧化器如圖1所示，其主要由底座、發(fā)熱絲卡座、導油繩、儲液腔和吸嘴組成，霧化器由電池通過底座向發(fā)熱絲供電，發(fā)熱絲升溫將導油繩引流的煙油加熱霧化，抽吸時煙霧由氣流通道經由吸嘴吸入消費者口中。常見的預注油霧化器的結構如圖2所示，其關鍵元件主要有加熱元件（一般為加熱絲）、導油繩、儲油棉和氣流通道，其工作原理與可注油霧化器基本相同，也是由電池通過螺旋接口由正、負電極向加熱元件（一般為發(fā)熱絲）供電，發(fā)熱絲將導油繩引流來的煙油加熱霧化，抽吸時煙霧由氣流通道經由頂部端蓋的小孔進入消費者口中。常見的一次性連體式霧化器如圖3所示，其霧化器的關鍵元件與預注油式霧化器的基本相同，主要包括加熱元件、導油繩、儲油棉和氣流通道，由于一次性連體式電子煙的霧化器和其他部件是一體的，所以與預注油式霧化器相比，一次性連體式霧化器增加了阻油塞，以防止煙油外流。三類霧化器的異同點如下：1）相同點：三者的供油和霧化方式相同，供油方式均是通過導油繩來傳送煙油，霧化方式均為電加熱霧化；2）不同點：可注油式霧化器的儲油方式與其他兩類霧化器不同，其通過儲液腔來儲油，而其他兩種霧化器均采用儲油棉來儲油。

圖1 可注油霧化器實物圖Fig.1 Photograph of re fi llable atomizer

圖2 預注油霧化器的結構示意圖Fig.2 Structure diagram of pre- fi lled atomizer

圖3 一次性連體式霧化器結構示意圖Fig.3 Structure diagram of non-detachable atomizer

電子煙煙油常用的發(fā)煙物質為丙三醇和丙二醇的混合物，一般占到煙油的90%以上（質量百分數），其余為煙堿、香氣成分、水、乙醇等成分[1]。根據電子煙的霧化發(fā)煙原理可推測，電子煙的霧化溫度高低將會對電子煙的煙霧量、化學成分的遞送和感官質量產生重要影響。通常情況下，使用相同煙油的同一種可調壓電子煙，電壓越高，理論上霧化溫度也越高，電子煙的煙霧量越大，煙堿和香氣成分遞送的量越多，電子煙的香氣越飽滿，生理強度越大。因此，研究電子煙的霧化溫度對于電子煙的開發(fā)具有重要意義。傳統卷煙一般采用熱電偶或紅外熱像儀對燃燒錐的溫度進行測定[2-5]。

由于電子煙的發(fā)明和流行的時間較短，電子煙霧化溫度測試有關的公開報道還較少。Tongke Zhao等采用熱電偶對四個品牌的電子煙煙彈發(fā)熱絲溫度進行測試，發(fā)現不同品牌電子煙發(fā)熱絲溫度差異較大，發(fā)熱絲溫度范圍為138.6-231.0 ℃[6]。Tobias Schripp等采用紅外熱成像儀測試無煙油電子煙的發(fā)熱絲溫度，結果顯示溫度約為350 ℃，但論文中未注明所測試的電子煙類型[7]。另外，OtmarGeiss等同樣采用紅外熱成像儀測試第三代電子煙（Mods）的發(fā)熱絲溫度，結果顯示在不添加煙油的情況下，電子煙功率為5 W、10 W、15 W、20 W、25 W時，發(fā)熱絲的溫度分別為380 ℃、490 ℃、625 ℃、800 ℃和 950 ℃，同時文章還報道了添加煙油后，電子煙功率為5 W、10 W、15 W、20 W時，發(fā)熱絲的溫度變化情況[8]。但未見有對電子煙霧化溫度影響因素的公開報道。

為了較系統的研究電子煙霧化溫度的影響因素以及霧化溫度范圍，本文在CORESTA推薦電子煙抽吸模式下，采用紅外熱像儀對可注油霧化器和預注油霧化器進行霧化溫度測試，采用非導電型熱電偶對一次性連體煙霧化器進行霧化溫度測試，研究煙油溶劑、工作電壓、發(fā)熱絲阻值、發(fā)熱絲數量等對電子煙霧化溫度的影響。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑和儀器

市售銷量較好的可注油霧化器、預注油霧化器和一次性連體煙霧化器樣品各2個，共6個樣品，其中1#可注油霧化器樣品有3個不同的阻值，分別為1.6 Ω、2.0 Ω和2.6 Ω。樣品的具體參數見表1。

表1 試驗樣品Tab.1 Information of test samples

甘油（純度≥99.5%，美國Sigma公司）、1,2-丙二醇（純度≥99.5%，美國Sigma公司）、1,3-丁二醇（純度≥99.5%，美國Sigma公司）；煙草口味煙油的主要成分及質量百分含量為甘油61.7%、1,2-丙二醇26%、乙醇4.8%、水3.5%、煙堿1.8%、香味成分2.2%。

電子煙加熱絲溫度監(jiān)測儀（配備德國OPTRIS紅外熱成像探頭，中國麥克韋爾公司）；非導電型熱電偶（美國OMEGA公司）；數據采集器（美國Agilent公司）；BTS-5V3A電池檢測系統（深圳市新威爾電子有限公司）。

1.2 方法

1.2.1 CORESTA推薦電子煙抽吸方法

采用的抽吸模式為CORESTA推薦電子煙抽吸模式[9]：抽吸容量55 mL，抽吸持續(xù)時間3 s，抽吸間隔30 s。

1.2.2 電子煙霧化溫度采集及分析

（1）可注油和預注油霧化器

可注油和預注油霧化器使用電子煙加熱絲溫度測試儀測試霧化溫度。具體的操作方法為，首先按要求向可注油和預注油霧化器中加入煙油，去除可注油和預注油霧化器煙嘴端的端蓋以露出氣流通道，然后安裝在電子煙加熱絲溫度測試儀上，采用直流電源對可注油和預注油霧化器供電，可注油和預注油霧化器與測試儀的連接處設有氣管可向可注油和預注油霧化器中吹入18.33 mL/s流速的空氣來模擬吸煙，紅外熱成像探頭正對氣流通道，通過氣流通道非接觸式測定可注油和預注油霧化器加熱絲處的霧化溫度，其中直流電源、氣管、紅外熱成像探頭工作同步。以此，來測定可注油和預注油霧化器的霧化溫度。圖4為4#樣品的熱成像圖。

圖4 4#樣品的熱成像圖Fig.4 The thermographic image of 4# sample

試驗中，電子煙加熱絲溫度監(jiān)測儀所采集的溫度為紅外熱成像探頭所探測中心區(qū)域的瞬時最高溫度。該設備的數據采集頻率為每0.02 s采集1次，每次抽吸循環(huán)可得到拋物線型溫度-時間曲線。為了便于比較，選取拋物線最高點的瞬時溫度進行分析，其中每個樣品測試30口，得到30個數據進行算術平均并計算標準偏差。

（2）一次性連體煙霧化器

一次性連體煙霧化器使用非導電型熱電偶測試霧化溫度。具體的操作方法為，首先按要求向連體煙霧化器中加入等量煙油，然后將連體煙霧化器的頂部端蓋去除以露出氣流通道，將處理后的連體電子煙的燈帽端與氣管相連，氣管可根據輸入電腦的抽吸模式來向連體電子煙中吹入18.33 mL/s流速的空氣來模擬吸煙，然后將與連接在數據采集器上的非導電型熱電偶從連體煙霧化器的氣流通道處插入直到與發(fā)熱絲接觸，以此來測定一次性連體煙霧化器的霧化溫度。

試驗中，非導電型熱電偶通過數據采集器所采集的溫度為所接觸的發(fā)熱絲的瞬時溫度。該設備的數據采集頻率為每0.25 s采集一次，每次抽吸循環(huán)也可得到拋物線型溫度-時間曲線。為了便于比較，選取拋物線最高點的瞬時溫度進行分析，得到的數據每10個為一組，進行算術平均并計算標準偏差。

1.2.2.1 不同煙油溶劑下霧化溫度測定

使用2.6 Ω的1#可注油霧化器，灌注1,2-丙二醇、甘油、1,3-丁二醇、1,2-丙二醇：甘油=2：1（質量比）和甘油：1,3-丁二醇=2：1（質量比）五種煙油溶劑進行試驗。工作電壓為3.7 V。

1.2.2.2 不同阻值可注油和預注油霧化器的溫度測定

試驗所用的煙油均為上述煙草口味煙油。對不同阻值的1#可注油霧化器在2.6 V、3.7 V和4.8 V電壓下的霧化溫度進行測定，并對不同阻值的3#和4#預注油霧化器在3.0 V、3.7 V和4.0 V下的霧化溫度進行測定。

1.2.2.3 不同發(fā)熱絲數量霧化器的霧化溫度測定

使用1# 2.0 Ω和2#可注油霧化器樣品進行霧化溫度測試，測試的電壓為3.7 V、4.8 V。

1.2.2.4 一次性連體煙霧化器溫度測定

測試所用煙油為煙草口味煙油。對相同阻值的兩個一次性連體煙霧化器5#、6#進行霧化溫度測定。

1.2.2.5 一次性連體電子煙電池測試

采用電池檢測系統對一次性連體電子煙電池進行放電性能測試。具體的測試方法如下：

（1）電池充電：以額定電流恒流充電，充電到電池兩端電壓為4.2 V，然后再以4.2 V的電壓恒壓充電，一直到充電電流為0.01 C；

（2）將電池放置30 min；

（3）電池放電：以0.2 C的放電倍率放電，直到電池電壓為3 V，測試完成；

（4）數據分析：根據電池檢測系統的測試數據，以電池容量為橫坐標，以電池電壓為縱坐標作出電池的放電曲線。

2 結果與討論

2.1 不同溶劑對電子煙霧化溫度的影響

圖5為不同溶劑下電子煙的霧化溫度比較。由圖可知，就單一成分溶劑而言，丙二醇、甘油和1,3-丁二醇三種溶劑相比，以丙二醇為溶劑的霧化溫度最低，以甘油和1,3-丁二醇為溶劑的稍高，可能原因有兩方面，一方面，較甘油（沸點為290 ℃）[10]和1,3-丁二醇（沸點為203 ℃）[11]，丙二醇（沸點為188 ℃）[12]的沸點較低，發(fā)熱元件加熱到較低的溫度即可霧化，所以丙二醇霧化溫度較低，另一方面，較甘油（粘度為1412 mPa·s）[10]和1,3-丁二醇（粘度為103 mPa·s）[11]，丙二醇（粘度為42 mPa·s）[12]的粘度較小，流動性較好，霧化后溶劑供給更及時，所以霧化溫度較低；單一成分溶劑與混合成分溶劑相比，以混合成分為溶劑的霧化溫度明顯高于單一成分溶劑的霧化溫度。

三種單一溶劑的霧化溫度在184～202 ℃，兩種混合溶劑的霧化溫度都在210 ℃以上。

圖5 使用不同溶劑電子煙的霧化溫度比較Fig.5 Comparison of atomization temperature of e-cigarettes using different solvents

2.2 工作電壓對不同阻值可注油和預注油霧化器的霧化溫度影響

圖6為不同阻值的1#可注油霧化器在不同電壓下的霧化溫度比較。由圖6可知，在相同電壓下，可注油霧化器的阻值越低，霧化溫度越高，即霧化溫度與霧化器阻值呈負相關；在相同的電阻下，電壓越高，霧化溫度越高，即霧化溫度與電壓呈正相關。以上結果可用焦耳定律Q=（U2/R）*t來解釋，由該公式可知，電能轉化為熱能的量與電壓的平方呈正比，而與電阻呈反比，即在相同的電阻和時間下，電壓越大產生的熱量越多所以霧化溫度高，在相同的電壓和時間下，電阻越大產生的熱量越少所以霧化溫度低。

由圖6還可看出，在同一阻值下，工作電壓越高，溫度的波動幅度越大，可能原因為電壓較高時霧化速度快于供油速度導致干燒，干燒時霧化穩(wěn)定性被破壞，波動變大。說明該種類型霧化器的工作電壓不宜過高，具體就是在電阻為1.6 Ω、2.0 Ω時電壓不宜高于3.7 V，電阻為2.6 Ω時電壓不宜高于4.8 V；在電壓為2.6 V時，3個電阻的霧化器霧化溫度接近，電壓升高，溫度也逐步拉開；另外，3個阻值的霧化器霧化溫度與工作電壓呈正相關。

圖6 不同阻值的1#可注油霧化器在不同電壓下的霧化溫度比較Fig.6 Comparison of atomization temperature of 1# re fi llable atomizer with different resistance at different voltages

圖7為不同阻值預注油霧化器在不同電壓下的霧化溫度比較。由圖7可知，在相同電壓下，預注油霧化器的阻值越低，霧化溫度越高，即霧化溫度與預注油霧化器阻值呈負相關；在相同的電阻下，電壓越高，霧化溫度越高，即霧化溫度與電壓呈正相關。以上結果也可用焦耳定律解釋。

由圖7還可看出，在3.0 V～4.0 V的電壓范圍內，3.5 Ω預注油霧化器的加熱絲溫度與電壓呈線性正相關，R2為0.9951；2.3 Ω預注油霧化器在4.0 V的電壓時，加熱絲溫度急劇升高，可能原因是由于電壓較高煙油霧化速度快于供油速度造成干燒，說明小于等于2.3 Ω的低電阻預注油霧化器的工作電壓不宜超過4.0 V，且在4.0 V時溫度的波動較3.0 V、3.7 V大；在低電壓時（3.0 V、3.7 V），2.3 Ω與3.5 Ω的預注油霧化器的加熱絲溫度相差不大，當電壓達到4.0 V，2.3 Ω預注油霧化器的加熱絲溫度遠遠高于3.5 Ω預注油霧化器的加熱絲溫度。

圖7 不同阻值預注油霧化器（3#和4#樣品）在不同電壓下的霧化溫度比較Fig.7 Comparison of atomization temperature of pre- fi lled atomizers with different resistance (3# and 4# sample) at different voltages

2.3 發(fā)熱絲數量對可注油霧化器霧化溫度的影響

圖8為可注油霧化器阻值相同的單雙絲霧化器的霧化溫度比較。由圖可知，在相同的電壓下，1#單絲霧化器霧化溫度明顯高于2#雙絲霧化器，推測原因為雙絲霧化器的2根發(fā)熱絲為并聯，每根發(fā)熱絲的阻值相同均為4.0 Ω，根據焦耳定律Q=（U2/R）*t，在相同的電壓和加熱時間下，發(fā)熱絲阻值越高電能轉化的熱能就越少，所以溫度升高的就小，霧化溫度也就較低。

圖8 樣品阻值相同發(fā)熱絲數量不同的可注油霧化器霧化溫度比較Fig.8 Comparison of atomization temperature of re fi llable atomizer with the same resistance and different numbers of heating wire

2.4 一次性連體煙霧化器霧化溫度

圖9為5#和6#一次性連體煙霧化器霧化溫度比較。由圖可知，兩種一次性連體煙霧化器相比，5#霧化器的霧化溫度明顯高于6#霧化器，可能原因為在兩種一次性連體煙霧化器加熱絲阻值相同的情況下（均為3.3 Ω），5#霧化器氣流通道內徑為2.0 mm，而6#霧化器氣流通道內徑為3.5 mm，6#霧化器氣流通道大，加熱絲熱量散發(fā)較快，所以霧化溫度較低，5#和6#霧化器氣流通道的對比情況見圖10。

另外，由圖9還可看出，兩種一次性連體煙霧化器，隨著抽吸口數的增加，霧化溫度均有先升高后降低的趨勢，可能原因為隨著抽吸口數的增加，吸油棉中煙油的量減少，電池電量衰減造成電芯輸出電壓逐漸降低，其中煙油的量減少會造成霧化溫度升高，電壓降低會造成霧化溫度降低，抽吸前期煙油減少對霧化溫度影響起主導作用，所以霧化溫度先升高，隨著抽吸口數增加電壓降低逐步成為主因，所以霧化溫度又出現后降低的趨勢。一次性連體電子煙電池放電曲線見圖11。

圖9 5#和6#一次性連體煙霧化器每10口的霧化溫度比較Fig.9 Comparison of atomization temperature of 5# and 6# nondetachable atomizers within every 10 puffs

圖10 5#和6#一次性連體煙霧化器氣流通道對比圖Fig.10 Photograph of 5# and 6# non-detachable atomizers' air fl ow channel

圖11 一次性連體電子煙電池放電曲線Fig.11 Battery discharge curve of the disposable integrated e-cigarettes

3 結論

建立了電子煙霧化溫度的測試方法，其中可注油和預注油霧化器采用紅外熱成像方法測定，一次性連體煙霧化器采用非導電型熱電偶測定。在相同的抽吸模式下，采用相同的霧化器，發(fā)現混合溶劑下的電子煙的霧化溫度高于單一溶劑下的霧化溫度；電子煙霧化溫度與加熱絲阻值呈負相關，與工作電壓呈正相關；阻值相同的霧化器，單根發(fā)熱絲的霧化溫度高于雙根發(fā)熱絲的霧化溫度；對于結構相同的一次性連體煙霧化器，氣流通道直徑與霧化溫度呈負相關；且隨著抽吸口數的增加，一次性連體煙霧化器的霧化溫度有呈先升高后降低的趨勢。

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：GONG Xiaowei, HAN Yi, LI Shoubo, et al. Investigation into factors in fl uencing atomization temperature in vaping [J]. Acta Tabacaria Sinica, 2017, 23(3)

*Corresponding author.Email：16594939@qq.com

Investigation into factors in fl uencing atomization temperature in vaping

GONG Xiaowei*, HAN Yi, LI Shoubo, ZHANG Xia, CHEN Yongkuan,Yang Ji, HONG Liu, LI Tinghua, WU Jun, ZHU Donglai R &D Center, China Tobacco Yunnan Industrial Co., Ltd., Kunming 650231, China

In order to study the influencial factors of vaping’s atomization temperature, refillable and pre-filled atomizers were tested by infrared thermal imaging technology, and non-detachable atomizerswere tested with non-conductive thermocouple. CORESTA recommended smoking regime of vaping was adopted. Results showed that: (1) as for three solvents propylene glycol, glycerol and 1,3-butanediol, the atomization temperature of mixed solvent was higher than that of single solvent; (2) atomization temperature was negatively correlated with heating wire resistance and positively correlated with working voltage; (3) as for re fi llable atomizers with same resistance, the atomization temperature of single heating wire was higher than that of two heating wires; (4) as for non-detachable atomizers with same structure, atomization temperature was negatively correlated with the airflow channel diameter, and increased at first and decreased subsequently with increasing pu ff number.

vaping; atomization temperature; atomizer

鞏效偉，韓熠，李壽波，等. 電子煙霧化溫度測定及影響研究[J]. 中國煙草學報，2017,23（3）

云南中煙工業(yè)有限責任公司科技項目“具有中式卷煙風格的電子煙開發(fā)”(2015CP06)

鞏效偉（1982—），碩士，工程師，主要從事新型煙草制品研究，Email：415959426@qq.com

朱東來（1978—），碩士，高級工程師，主要從事新型煙草制品研究，Email：16594939@qq.com

2016-03-24；< class="emphasis_bold">網絡出版日期：

日期：2017-06-22