韓 熠，李廷華，朱東來，雷芋琳，李壽波，張 霞，鞏效偉，胡 泓

(1.云南中煙工業(yè)有限責任公司技術(shù)中心，云南 昆明 650231;2. 哈爾濱工業(yè)大學(深圳) 機電工程與自動化學院，廣東 深圳 518055)

0 引言

近年來，隨著全球控煙形勢的日趨嚴峻和消費者健康意識的逐步提高，制約了傳統(tǒng)卷煙的發(fā)展。電子煙作為一類極具發(fā)展?jié)摿Φ牡臀：π孕滦蜔煵葜破?，因其在生理感受、心理感知和吸食方式等方面與傳統(tǒng)卷煙接近，受到了消費者的普遍青睞[1-2]。

霧化器是電子煙的核心部件，其將煙油霧化成氣溶膠并供用戶抽吸，其性能直接影響用戶抽吸體驗和安全健康狀況。目前，市售主流的電子煙絕大多數(shù)采用電熱式霧化，該方式基于熱傳導原理，通過氣流傳感器、機械按鍵或觸控按鍵激發(fā)電子煙工作，導通電路給由鎳鉻合金、不銹鋼合金、鎳200合金及鈦合金繞制而成的發(fā)熱絲或陶瓷發(fā)熱片供電，加熱煙液霧化產(chǎn)生氣溶膠[3-5]。盡管電熱式霧化方式導熱速率快，霧化效率高，但卻普遍存在如下問題[6-10]：

1) 霧化技術(shù)核心專利由帝國煙草公司掌控，具有較大知識產(chǎn)權(quán)侵權(quán)風險。

2) 電子煙連續(xù)抽吸過程中，發(fā)熱組件持續(xù)升溫可達500～600 ℃，存在潛在安全風險的同時，煙油高溫熱解會釋放醛類等有害成分，健康隱患大。

3) 屬于接觸式霧化，煙油易在發(fā)熱組件表面燒結(jié)粘附并產(chǎn)生積碳，進而熱解釋放CO等有害成分，發(fā)出焦糊味或引起發(fā)熱組件阻值發(fā)生變化。

4) 煙油與發(fā)熱組件長期接觸，重金屬會浸出并轉(zhuǎn)移至氣溶膠。

鑒于電熱式霧化方式存在的問題，探索新型霧化技術(shù)在電子煙中的應用具有重要的意義。煙油霧化是微流體霧化的一種，除電熱式外，常見的微流體霧化方式還包括壓力噴嘴式[11]、超聲振動式[12]、旋轉(zhuǎn)離心式[13]、高速氣流輔助式[14]及靜電式[15]，但從設計便攜性，結(jié)構(gòu)復雜度，驅(qū)動功耗，霧化效率及產(chǎn)生氣溶膠粒徑等方面綜合考慮，這些霧化方式在電子煙中難以得到實際應用。聲表面波(SAW)霧化是近幾年來新興的一種微流體霧化方式，憑借能量定向集中，驅(qū)動功率小，激勵頻率高，易集成化和小型化等特點[16-17]，可能為電子煙的創(chuàng)新研發(fā)提供新的契機。

本文旨在突破傳統(tǒng)電熱式霧化方式存在的技術(shù)瓶頸，試圖將SAW霧化技術(shù)引入電子煙領域，基于SAW聲流耦合效應及其獨特技術(shù)優(yōu)勢，提出了一種全新的電子煙非接觸霧化方法，搭建了霧化系統(tǒng)實驗平臺，并對關(guān)鍵技術(shù)應用的可行性、產(chǎn)生氣溶膠的過程及煙油霧化特性進行了測試分析。

1 實驗平臺

微流體在SAW作用下被霧化的機理是：當霧化芯片叉指換能器激勵的SAW與置于壓電基底一側(cè)的微流體相接觸時，SAW攜帶的能量會以漏聲表面波的模式以特定角度衍射進入液體產(chǎn)生聲流耦合效應，并在微流體表面形成毛細波，當表面毛細波儲蓄的慣性力足以克服微流體的自身表面張力和粘性力時，霧化便開始發(fā)生[18]。

圖1為霧化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。霧化芯片加工完成后，采用顯微鏡初步檢測叉指換能器的結(jié)構(gòu)分布及電極的均勻粗糙程度，并利用網(wǎng)絡分析儀測試霧化芯片的中心頻率。射頻信號加載前，需要對輸入信號的中心頻率、幅值及功率進行測試，以便使霧化芯片處于最佳驅(qū)動模式。采用表面張力儀、電子天平、密度儀及粘度計等測量待霧化煙油的基本特性(如表面張力、密度、粘度等)。在整個霧化系統(tǒng)工作過程中，高速攝像機實時監(jiān)測煙油的霧化動態(tài)過程，熱電偶實時監(jiān)測霧化芯片的表面溫度，粒度分析儀用于檢測產(chǎn)生氣溶膠顆粒的粒徑大小分布。

圖1 霧化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖2為霧化系統(tǒng)實驗平臺。實驗時，基于聚酯纖維紙條的毛細作用，將儲油槽中的煙油導向霧化芯片叉指換能器一側(cè)的壓電基底表面，以確保SAW傳播路徑上分散有煙油；壓電基底材料選用128°Y-X的鈮酸鋰壓電單晶片，其厚度、機電耦合系數(shù)、溫度系數(shù)和SAW理論傳播速度(v)分別為0.5 mm、5.5%、-72×10-6/℃和3 990 m/s；叉指換能器通過采用標準紫外光刻技術(shù)，將具有手指交叉形狀的Al金屬電極沉積于壓電基底表面，共包含30對叉指電極，電極的寬度和間隔設置為等間距，均為λ/4，其中λ為SAW波長，設置為132 μm；采用信號發(fā)生器(RIGOL DSG3000)產(chǎn)生射頻正弦信號，并經(jīng)過功率放大器(Mini-circuit LZY-22)放大后施加給叉指換能器。信號加載前需采用功率計(DIAMOND SX-200)測定功率值，以確定實際驅(qū)動功率值。整個霧化過程使用高速攝像機(Photron FASTCAM SA8)輔以光源拍攝，并以視頻和圖片的形式進行存儲。

圖2 霧化系統(tǒng)實驗平臺

2 結(jié)果與討論

2.1 霧化芯片特性測試

霧化芯片的頻率響應曲線采用網(wǎng)絡分析儀(AV3656)進行測試，結(jié)果如圖3所示。由圖可知，霧化芯片的頻率響應特性較穩(wěn)定，中心工作頻率f基本滿足f=v/λ=29(MHz)。該頻率與理論值(30 MHz)出現(xiàn)細微偏差的原因是：SAW在壓電基底上的實際傳播速度與理論傳播速度存在微小差異，由于壓電單晶片上的電極結(jié)構(gòu)、電極厚度、加工品質(zhì)等帶來的衍射效應引起SAW在壓電基底上傳播速度下降，這可通過選用高品質(zhì)的壓電單晶片和優(yōu)化芯片加工工藝加以改善。盡管如此，其對提出方法應用可行性的驗證影響不大。

圖3 驅(qū)動器頻率特性曲線

2.2 霧化現(xiàn)象與分析

實驗中，根據(jù)霧化芯片的工作頻率，設置信號源產(chǎn)生對應固定頻率的高頻正弦交流電信號，經(jīng)功率放大器放大后，直接加載到叉指換能器的電極兩端，通過調(diào)節(jié)輸入電壓的幅值以改變驅(qū)動功率，使煙油產(chǎn)生不同的動作。當驅(qū)動功率較小(0～0.2 W)時，聚酯纖維紙條中的煙油會沿著與SAW傳播相反的方向被拉出一段距離，然后拉出的煙油面積開始逐漸收縮，形成彎月面的形狀，這是由于毛細-粘性效應產(chǎn)生的；當驅(qū)動功率增加到0.2～0.9 W時，煙油同樣首先會被往外拉出比上一段更短的彎月面，同時能清晰地看到彎月面表面產(chǎn)生明顯的波動現(xiàn)象，這是SAW縱向壓力波傳播到煙油表面產(chǎn)生擾動形成的表面張力波現(xiàn)象；當繼續(xù)將驅(qū)動功率增加到0.9～1.5 W時，液體被拉出微小的一部分，觀察到聚酯纖維紙條表面有微弱冒泡現(xiàn)象，但并未觀察到霧化現(xiàn)象，說明即使煙油表面被激發(fā)出毛細波，但毛細擾動產(chǎn)生的慣性力還不足以克服煙油的表面張力；若進一步加大驅(qū)動功率(大于1.6 W)，會產(chǎn)生霧化現(xiàn)象，且隨著驅(qū)動功率的增加，霧化現(xiàn)象越明顯。圖4為驅(qū)動功率1.8 W時的煙油霧化過程。顯然，從信號加載到持續(xù)穩(wěn)定霧化的時間僅為5.4 ms。此外，整個霧化過程中，霧化芯片的發(fā)熱量較小，芯片表面溫度不高，低于100 ℃。

圖4 驅(qū)動功率為1.8 W時的煙油霧化過程

2.3 霧化特性討論

在電子煙抽吸過程中，煙油霧化產(chǎn)生氣溶膠的粒徑大小一方面會直接影響用戶抽吸體驗；另一方面，氣溶膠粒徑對于在人體肺部的沉積或沉積量的多少嚴重影響人體健康[19]。顆粒物在肺部沉積引起機理主要有重力沉降、慣性沖擊和布朗擴散[15]3種。重力沉降表現(xiàn)為顆粒隨氣流進入且動量較小時，在流動過程中由于重力的作用而逐漸偏離流動方向，最終與壁面碰撞而沉積；慣性沖擊表面為顆粒隨氣流進入且動量較大時，若流動方向發(fā)生改變，那么由于慣性作用將會沿著原來的方向繼續(xù)運動，并與壁面發(fā)生碰撞而沉積；布朗擴散是對于亞微米顆粒物，因布朗運動較顯著，顆粒物從高濃度向低濃度擴散過程中與壁面接觸發(fā)生的沉積現(xiàn)象。由于肺泡內(nèi)的流速很小，對于亞微米顆粒重力效應也小，因此，重力沉降和慣性沖擊的影響可忽略，而布朗擴散的沉積效率與顆粒粒徑呈指數(shù)增長關(guān)系，即顆粒粒徑越大，沉積效率越高，危害越大。因此，應嚴格控制霧化氣溶膠顆粒的粒徑大小，盡量減少霧化煙氣在肺部的沉積。根據(jù)SAW與微流體作用產(chǎn)生霧化的機理來分析，預測霧化氣溶膠粒徑與輸入?yún)?shù)、煙油特性參數(shù)之間應滿足如下關(guān)系[20]：

(1)

式中：K為與煙油特性相關(guān)的常量；γ為煙油表面張力；μ為煙油剪切粘性力；fc為表面毛細波頻率；H，L分別為煙油液膜的特征高度與長度；λc為液體表面毛細波波長；D為霧化氣溶膠直徑。

實驗時，采用市售華液品牌薄荷口味成品煙油進行測試，其γ=43.62 mN/m，μ≈0.385 9 Pa·s(常溫下)，H/L≈0.1，fc≈1 kHz。根據(jù)式(1)預測產(chǎn)生氣溶膠的粒徑為?1.13 μm。為了進行對比分析，采用珠海歐美克儀器有限公司的DP-02激光粒度分析儀(可測粒徑為?(1～1 500) μm)對實際煙油霧化產(chǎn)生的氣溶膠粒徑進行了測試，結(jié)果如圖5所示。由圖可以看出，氣溶膠粒徑為?(1.20～2.04) μm，其中88.03%的氣溶膠粒徑為?1.71 μm，其與理論預測值基本吻合。此外，還對氣溶膠進行了人體抽吸測試與抽吸品質(zhì)評價，結(jié)果表明,氣溶膠可吸入吐出，且煙氣飽滿、味道純正。

圖5 煙油霧化產(chǎn)生氣溶膠的粒徑分布圖

3 結(jié)束語

為了改善或解決電熱式霧化電子煙存在的技術(shù)缺陷，提出了一種基于SAW的全新電子煙霧化方式。搭建了霧化系統(tǒng)實驗平臺，論證了霧化技術(shù)應用的可行性，并對SAW引起煙油霧化的整個過程及煙油霧化特性進行了詳細分析。實驗結(jié)果顯示，SAW是一種強而有效的煙油霧化技術(shù)，具有非接觸連續(xù)穩(wěn)定霧化,氣溶膠粒徑小且分布均勻,驅(qū)動功耗小,霧化效率高,低發(fā)熱等特點，是電子煙未來發(fā)展的一個新方向。