本發(fā)明涉及新型煙草，具體涉及一種復(fù)合相變材料及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、傳統(tǒng)卷煙點(diǎn)燃后溫度高達(dá)600～900℃且難以精確控制，燃燒熱裂解釋放出的有害物質(zhì)較多，給吸煙者及其他人的健康帶來一定危害。煙草行業(yè)堅(jiān)持“消費(fèi)者利益至上”的原則，該項(xiàng)目針對性的采取有效的方法，達(dá)到既對消費(fèi)者的健康負(fù)責(zé)，在減少煙氣中的有害成分的同時(shí)，又能滿足消費(fèi)者的需求，保持卷煙感官質(zhì)量和適當(dāng)?shù)膭蓬^，研究開發(fā)出既對人類健康危害降到最低水平而又滿足消費(fèi)者需求的新型卷煙產(chǎn)品，已成為煙草行業(yè)的主攻方向。

2、加熱卷煙的煙具加熱溫度一般不超過400℃，同時(shí)煙草在加熱過程中處于不燃燒狀態(tài)，使煙氣中的有害物質(zhì)顯著降低，成為目前主流的傳統(tǒng)卷煙替代品之一，加熱卷煙不發(fā)生燃燒，有害成分釋放量大幅降低，但這種特殊的煙氣產(chǎn)生方式令釋放的卷煙煙氣香氣及濃度也偏低，這使得該類卷煙感官質(zhì)量與傳統(tǒng)卷煙有較大的差距。為充分提升煙氣入口感官，卷煙長度通常較短且煙氣吸阻較低，這使得煙氣入口溫度較高，影響用戶體驗(yàn)。

3、加熱卷煙的常用降溫方法主要有改變結(jié)構(gòu)、吸水降溫及材料降溫三種方式。改變結(jié)構(gòu)即改變煙支濾棒的結(jié)構(gòu)，起到增加煙氣流通的路徑，延長煙氣在濾嘴中的流動(dòng)時(shí)間，或完成煙氣在濾嘴中的冷凝過程，從而達(dá)到降溫效果。吸水降溫是利用除去煙氣中水分達(dá)到降溫效果。材料降溫是通過相變材料或者高分子材料以不同的方式添加到濾嘴中，通過材料特性吸收熱量以達(dá)到降溫效果。

4、現(xiàn)有的降溫技術(shù)雖然能降低一定得溫度，但是總體降溫效果不好，且還存在其缺陷，結(jié)構(gòu)降溫和吸水降溫的降溫效果不顯著，材料降溫會(huì)出現(xiàn)塌陷等缺點(diǎn)。因此有效降低主流煙氣溫度，又能解決塌陷的問題是當(dāng)前急需解決的問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對目前存在的技術(shù)問題，本發(fā)明的目的在于提供一種復(fù)合相變材料及其制備方法和應(yīng)用，該相變材料采用特殊的相變膠囊與相變纖維相結(jié)合，制備而成的復(fù)合相變材料，制備方法簡單，易于操作，該復(fù)合材料用于加熱不燃燒卷煙的降溫濾棒，有效降低煙氣溫度，穩(wěn)定性好，不塌陷。

2、本發(fā)明首先利用有機(jī)相變材料為芯材，復(fù)合材料為壁材，制備納米相變膠囊，將納米相變膠囊技術(shù)應(yīng)用于復(fù)合相變紡絲結(jié)構(gòu)中，結(jié)合相變材料受熱發(fā)生固-固/固-液相變的相變焓，可以有效降低高溫?zé)煔獾乃矔r(shí)溫度，結(jié)構(gòu)上這種包含納米相變膠囊的相變纖維，具有更高的致密性和耐熱性，結(jié)合程度也更好，極大地提高了與煙氣接觸交換表面，從而提升熱交換速率，快速降低高溫?zé)煔獾乃矔r(shí)溫度，使煙氣溫度保持穩(wěn)定；相變膠囊采用無機(jī)材料和高分子材料復(fù)合而成的材料作膠囊的壁材，增加了壁材的穩(wěn)定性，避免了泄露，又以甲基纖維素鈉作為支撐材料，避免了peg的崩塌。

3、為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供以下技術(shù)方案：

4、一種復(fù)合相變材料，該復(fù)合相變材料包括相變纖維和相變膠囊，相變膠囊和相變纖維的質(zhì)量比為1:50-1:10；其中相變膠囊的粒徑是100-500nm，復(fù)合相變材料的直徑為300nm-1500nm。

5、優(yōu)選地，相變膠囊是以復(fù)合材料為壁材，以有機(jī)相變材料為芯材；其中，復(fù)合材料是通過高分子材料和無機(jī)材料復(fù)合而成。。

6、優(yōu)選地，高分子材料為聚羥乙基甲基丙烯酸甲酯，分子量為50000-150000，無機(jī)材料為二氧化硅；有機(jī)相變材料為十八烷、十六烷、棕櫚酸、月桂酸、十八烷醇、十二烷醇中的一種。

7、優(yōu)選地，以聚乙二醇為相變材料，如peg8000、peg10000、peg20000，以羧甲基纖維素鈉為支撐材料。

8、一種復(fù)合相變材料的制備方法，包括以下步驟：

9、(1)將有機(jī)相變材料、無機(jī)硅源、有機(jī)硅源、單體和引發(fā)劑混合，形成溶液a，然后，依次加入表面活性劑、分散劑、去離子水和無水乙醇，然后在攪拌條件下均質(zhì)化處理，然后超聲處理，形成穩(wěn)定的微乳液b；

10、(2)微乳液b在油浴恒溫條件下，加入氨水以引發(fā)烷氧基硅烷的反應(yīng)，反應(yīng)在攪拌條件下進(jìn)行1-5小時(shí)，然后，在通入氬氣10-60分鐘后，將溫度升高，并繼續(xù)進(jìn)行自由基聚合，然后經(jīng)冷卻、真空過濾、用去離子水洗滌，并冷凍干燥，最后收集得到納米相變膠囊；

11、(3)將羧甲基纖維素鈉溶于溶劑中，得到均一的液相c，向液相c中加入聚乙二醇，混合得到電紡絲溶液；

12、(4)將納米相變膠囊和電紡絲溶液混合，經(jīng)紡絲、干燥，得到復(fù)合相變材料。

13、優(yōu)選地，步驟(1)、(2)中，無機(jī)硅源為四乙氧基原硅酸酯，有機(jī)硅源為γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷，單體為羥乙基甲基丙烯酸酯；按質(zhì)量份計(jì)，步驟(1)中，按質(zhì)量份計(jì)，有機(jī)相變材料5-20份、無機(jī)硅源5-25份、有機(jī)硅源0.5-10份、單體1-20份、引發(fā)劑0.05-0.3份、表面活性劑0.5-5g份、分散劑1-8份、去離子水50-200份、無水乙醇15-120份、氨水0.005-0.2份。

14、進(jìn)一步優(yōu)選地，步驟(1)引發(fā)劑、表面活性劑、分散劑為現(xiàn)有技術(shù)常用的試劑。

15、優(yōu)選地，步驟(1)中，攪拌速率5000-15000rpm，均質(zhì)化5-30分鐘，超聲頻率為20-25khz，超聲時(shí)間為5-30分鐘；步驟(2)中，油浴溫度為30-50℃，氨水質(zhì)量濃度為20-25％，攪拌速率200-800rpm，溫度升高至40-90℃，自由基聚合的時(shí)間為1-9h。

16、優(yōu)選地，步驟(3)中，溶劑為去離子水或乙酸溶液0.1m-0.5m，液相c中，羧甲基纖維素鈉的濃度為20-50％，聚乙二醇：羧甲基纖維素鈉質(zhì)量比為1/5-1/2，通過優(yōu)化peg和cmc-na的比例，可以進(jìn)一步提升材料的綜合性能，使其在降溫濾棒應(yīng)用中更具穩(wěn)定性和可靠性。

17、優(yōu)選地，步驟(4)中，納米相變膠囊與電紡絲溶液的質(zhì)量比為1/80-1/12，有利于相變膠囊與電紡絲溶液的混合均勻，若膠囊在溶液中分散不均，可能導(dǎo)致纖維中的膠囊分布不均，從而影響最終性能。

18、優(yōu)選的，紡絲的工藝參數(shù)：電紡絲儀器噴射的速度為0.5～10ml/h，鋁箔紙距離金屬針高5～20cm，環(huán)境溫度25～45℃，相對濕度為20～60％，電壓為10～30kv。

19、優(yōu)選的，將所述的納米纖維復(fù)合材料干燥溫度為50～90℃，時(shí)間為6～36h。

20、在紡絲過程中，控制紡絲速度、溫度和壓力等參數(shù)對于相變膠囊的穩(wěn)定性至關(guān)重要，不當(dāng)?shù)募庸l件可能會(huì)對相變膠囊造成損害或影響其功能，進(jìn)而會(huì)影響材料的性能。

21、本發(fā)明上述的復(fù)合相變材料或上述制備方法制備而成的復(fù)合相變材料作為降溫濾棒材料在加熱不燃燒卷煙中的應(yīng)用。

22、優(yōu)選地，將復(fù)合相變材料卷制形成直徑為5～9mm，長度為2～3cm。

23、針對目前相變材料制備降溫濾棒，在使用過程中，容易出現(xiàn)熔融塌陷的問題，為了解決這一問題，本發(fā)明采用相變纖維、相變膠囊復(fù)合而成復(fù)合相變材料，該材料加熱不燃燒的降溫濾棒。本發(fā)明中，相變膠囊采用無機(jī)材料和高分子材料復(fù)合而成的材料作膠囊的壁材，可以增加壁材的穩(wěn)定性，避免了泄露；其中二氧化硅具有高的硬度和強(qiáng)度，能夠提升復(fù)合壁材的整體機(jī)械性能，聚羥乙基甲基丙烯酸甲酯提供韌性，減少了脆性破裂的風(fēng)險(xiǎn)，二氧化硅成分可以耐受高溫，防止膠囊在高溫環(huán)境下變形或失效，而聚羥乙基甲基丙烯酸甲酯成分則可以提高材料的柔韌性，防止在溫度變化時(shí)產(chǎn)生裂紋；二氧化硅與聚羥乙基甲基丙烯酸甲酯的復(fù)合材料作為相變膠囊的壁材，有效避免了高溫以及溫度變化時(shí)，避免塌陷泄露的風(fēng)險(xiǎn)；由于卷煙的應(yīng)用場景較為復(fù)雜，單一的冷卻方法很難達(dá)到理想的穩(wěn)定效果，本發(fā)明又以甲基纖維素鈉作為支撐材料、聚乙二醇(peg)作為相變材料來降低煙溫，制備相變纖維，避免了peg的崩塌，在抽吸過程中，peg/cmc納米纖維可有效降低濾棒口端煙氣溫度，解決溢流塌陷問題，從而改善了吸力體驗(yàn)。

24、本發(fā)明中的納米相變膠囊具有較高的比表面積，傳熱效率較高，可以大大縮短傳熱時(shí)間，且將相變膠囊應(yīng)用于相變紡絲結(jié)構(gòu)中，形成納米膠囊/纖維的形貌分級(jí)結(jié)構(gòu)，可以有效降低高溫?zé)煔獾乃矔r(shí)溫度，結(jié)構(gòu)上這種包含納米相變膠囊的纖維，形成了一種宏觀有序、微觀隨機(jī)的形態(tài)學(xué)分級(jí)體系，具有更高的致密性和耐熱性，結(jié)合程度也更好，極大地提高了與煙氣接觸交換表面，從而提升熱交換速率，快速降低高溫?zé)煔獾乃矔r(shí)溫度。

25、另外，本發(fā)明通過控制乳液的組成和工藝參數(shù)，獲得特定粒徑的相變膠囊；該相變膠囊具有高比表面積，這使得熱能的儲(chǔ)存和釋放更為迅速，提升了相變材料的熱管理性能；更快的響應(yīng)速度，能夠更快地響應(yīng)溫度變化，有助于在動(dòng)態(tài)溫度條件下提供更好的控制。雖然相變膠囊更小的尺寸有許多優(yōu)點(diǎn)，但尺寸過小會(huì)影響膠囊的機(jī)械強(qiáng)度和穩(wěn)定性，限制了復(fù)合相變材料的有效載量，本發(fā)明設(shè)定的特定粒徑的相變膠囊，既保證了較高的比表面積和較快的響應(yīng)速度，又保證了其機(jī)械性能和穩(wěn)定性，同時(shí)也保證了相變膠囊在復(fù)合相變材料中的有效負(fù)載量。

26、本發(fā)明中，在降溫濾棒得應(yīng)用中，材料的熱穩(wěn)定性是防止在高溫條件下塌陷的關(guān)鍵因素。peg的相變特性可以影響纖維的形成和穩(wěn)定性。然而，peg的熱穩(wěn)定性相對較低，因此在某些應(yīng)用中，單獨(dú)使用peg可能不夠理想。cmc-na的作用:cmc-na的添加可以顯著提高材料的熱穩(wěn)定性，cmc-na的高熱穩(wěn)定性可以減少材料在高溫下的變形和降解，從而增強(qiáng)最終降溫濾棒的熱穩(wěn)定性，減少在實(shí)際操作中由于高溫引起的材料塌陷。

27、本發(fā)明在紡絲過程中將納米相變膠囊與相變紡絲溶液混合，相變膠囊與電紡絲溶液的相容性好，否則可能導(dǎo)致膠囊的破裂、變形或溶解，從而影響纖維質(zhì)量和性能；相變膠囊在纖維中的均勻分布，這種方法避免了膠囊僅附著在纖維表面，增強(qiáng)了相變膠囊在纖維中的均勻性和穩(wěn)定性，提高了熱儲(chǔ)存和釋放效率；提高了膠囊的穩(wěn)定性，電紡絲溶液中的相變膠囊能夠在纖維的固化過程中形成穩(wěn)定的均勻分布，減少了相變膠囊在纖維中可能出現(xiàn)的分層或集中現(xiàn)象，從而提高了相變膠囊的長期穩(wěn)定性；改善了膠囊的嵌入性，相變膠囊在紡絲過程中先與電紡絲溶液均勻混合，使得相變膠囊能夠更好地嵌入到纖維內(nèi)部，形成一個(gè)更為緊密的結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步提升了膠囊的熱管理性能；提高了生產(chǎn)效率，將相變膠囊與電紡絲溶液混合后紡絲制備方法，相對于其他工藝與相變膠囊的更為簡化，節(jié)省了成本，縮短了時(shí)間，提高了效率。

28、本發(fā)明提供的一種復(fù)合相變材料及其制備方法和應(yīng)用，該復(fù)合相變材料有效降低了煙氣入口溫度，提高了材料的穩(wěn)定性，避免了塌陷，且制備方法簡單、易于操作，節(jié)省了成本和時(shí)間，提高了效率，本發(fā)明取得的成果對降溫濾棒的開發(fā)也具有指導(dǎo)意義。