加熱絲材質(zhì)和霧化溫度對(duì)電子煙氣溶膠主要成分釋放量的影響

段沅杏，楊威，朱東來，楊柳，李廷華，陳永寬

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

自2004年問世以來，經(jīng)過10多年的發(fā)展，電子煙產(chǎn)品已頗具規(guī)模。與傳統(tǒng)卷煙相比，電子煙在使用過程中不燃燒煙絲，有害成分遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)卷煙[1-3]。隨著國(guó)際控?zé)熈Χ鹊募訌?qiáng)，電子煙作為一種“戒煙產(chǎn)品”或“吸煙替代品”在國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)的銷量快速增加[4]。電子煙產(chǎn)品形式呈現(xiàn)多元化、個(gè)性化發(fā)展趨勢(shì)，出現(xiàn)了一次性電子煙、注油式電子煙、續(xù)液式電子煙等新穎形式，并不斷增加新的附屬功能。但總體上，電子煙霧化器的核心構(gòu)成基本保持不變，通過加熱元件對(duì)電子煙液進(jìn)行加熱霧化形成氣溶膠，氣溶膠通過氣流的載帶作用進(jìn)入人體口腔[5]。

由于電子煙煙液在不同的霧化溫度范圍內(nèi)會(huì)釋放出不同品質(zhì)的氣溶膠，如何在穩(wěn)定安全的霧化環(huán)境下發(fā)揮出煙液最佳的口感一直是整個(gè)電子煙行業(yè)的研發(fā)課題。從國(guó)內(nèi)外各大品牌廠商競(jìng)相推向市場(chǎng)的產(chǎn)品速率和電子煙玩家們持續(xù)不斷的追捧熱度可鑒“溫控”無疑是目前最熱的詞眼[6]。溫控電子煙是利用某種金屬加熱絲的阻值會(huì)隨其工作溫度變化而變化的特性實(shí)現(xiàn)在相對(duì)恒定的溫度條件下霧化電子煙煙液，以此達(dá)到最佳的口感體驗(yàn)。

目前市場(chǎng)主流的溫控電子煙產(chǎn)品普遍支持鈦、鎳、不銹鋼加熱絲。不同的霧化溫度及加熱絲類型勢(shì)必會(huì)對(duì)抽吸品質(zhì)和感官體驗(yàn)產(chǎn)生直接影響。經(jīng)過前期充分技術(shù)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，迄今為止國(guó)內(nèi)外在探究加熱絲和霧化溫度對(duì)電子煙的氣溶膠關(guān)鍵成分的影響方面尚缺乏系統(tǒng)的研究。本文旨在彌補(bǔ)前期研究存在的不足，揭示不同霧化溫度條件下，靜態(tài)初始阻值相同的鈦、鎳、不銹鋼加熱絲對(duì)電子煙氣溶膠關(guān)鍵成分的影響，為溫控電子煙產(chǎn)品研發(fā)提供技術(shù)支撐和安全性評(píng)價(jià)提供參考。

1 材料與方法

1.1 儀器、試劑和材料

電子煙綜合測(cè)試平臺(tái)（上海新型煙草研究所，型號(hào)X500E）；GC-FID（賽默飛世爾科技有限公司），HY-8型振蕩儀(常州國(guó)華電器有限公司)；?44 mm劍橋?yàn)V片（德國(guó)Borgwaldt Technik公司）；彈性石英毛細(xì)管色譜柱 DB-ALC1（30 m×0.32 mm，1.8μm）；0.22μm有機(jī)相濾膜（上海訊同有限公司）；煙堿(≥99%，加拿大TRC公司)；丙二醇（＞99.8%，北京百靈威公司）；丙三醇（＞99%，天津致遠(yuǎn)化學(xué)試劑有限公司）；2-甲基喹啉標(biāo)準(zhǔn)品（純度＞99%，加拿大TRC公司）；1,3-丁二醇標(biāo)準(zhǔn)品（純度＞99.5%，加拿大TRC公司）；異丙醇（色譜純，美國(guó)Fisher公司)。

自制續(xù)液式溫控電子煙（結(jié)構(gòu)見圖1）：支持鈦（Ti）、鎳200（Ni200）和不銹鋼316（SS316）加熱絲，通過調(diào)節(jié)鍵設(shè)定電子煙的霧化溫度，按抽煙鍵時(shí)依據(jù)設(shè)定的霧化溫度，顯示屏左上角顯示加熱絲類型，左下角顯示實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)電阻，中間區(qū)域顯示輸出的實(shí)際溫度，右上方為電池電量，右下方為抽煙時(shí)間，界面顯示如圖（）；加熱絲：Ti、Ni200和SS316加熱絲在常溫下靜態(tài)初始阻值均為0.4Ω（通過改變?nèi)N加熱絲的線圈長(zhǎng)度來實(shí)現(xiàn)阻值的一致，加熱絲線圈長(zhǎng)度LNi200＞LTi＞LSS316）；電子煙煙液樣品：自主研發(fā)的電子煙煙液，煙堿含量為10mg/g，丙二醇與丙三醇質(zhì)量比為35∶45。

圖1 續(xù)液式溫控電子煙結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of liquid refill temperature control e-cigarette

1.2 方法

1.2.1 氣溶膠粒相物的捕集

采用電子煙綜合測(cè)試平臺(tái)按照CORESTA工作小組推薦的電子煙抽吸方法[7]對(duì)電子煙進(jìn)行抽吸，采用 ?44 mm劍橋?yàn)V片捕集氣溶膠粒相物（每抽吸10口捕集于1個(gè)濾片，抽吸總口數(shù)30口）。

1.2.2 氣溶膠粒相物的分析

參考蔡君蘭等[8]報(bào)道的方法對(duì)氣溶膠中煙堿、1,2-丙二醇和丙三醇進(jìn)行定量分析，即將捕集有氣溶膠粒相物的劍橋?yàn)V片，置于50mL三角燒瓶中，加入10mL含內(nèi)標(biāo)的異丙醇溶液（溶液中內(nèi)標(biāo)物1,3-丁二醇的濃度為1.0 mg/mL，2-甲基喹啉的濃度為0.2mg/mL），振蕩萃取20min，取1 mL萃取液過濾，進(jìn)行GC-FID進(jìn)行分析。配制的煙堿標(biāo)準(zhǔn)工作溶液的質(zhì)量濃度范圍0.01～1.00 mg/mL， 1,2-丙二醇和丙三醇標(biāo)準(zhǔn)工作溶液的質(zhì)量濃度范圍0.04～5.00 mg/mL。

2 結(jié)果與討論

2.1 煙液測(cè)試樣品的選取

對(duì)國(guó)內(nèi)外市售的各品牌電子煙液樣品進(jìn)行調(diào)研，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)樣品采用的溶劑是丙二醇和丙三醇的混合溶液，煙堿含量范圍為0 mg/g～18 mg/g。不同的樣品通過調(diào)節(jié)三者的比例來實(shí)現(xiàn)電子煙煙液在甜度、擊喉感和煙霧量方面的平衡，故丙二醇和丙三醇二者比例存在很大的差異性，多數(shù)樣品的丙三醇含量略高于丙二醇。通過感官評(píng)價(jià)發(fā)現(xiàn)當(dāng)丙二醇與丙三醇質(zhì)量比為35∶45時(shí)，抽吸體驗(yàn)比較好。綜合考慮市場(chǎng)調(diào)研和電子煙感官評(píng)價(jià)，采用自主研發(fā)的電子煙煙液樣品（煙堿含量為10 mg/g，丙二醇與丙三醇質(zhì)量比為35∶45）作為測(cè)試樣品來探索加熱絲和霧化溫度對(duì)氣溶膠關(guān)鍵成分的影響。

2.2 不同霧化溫度下加熱絲阻值的變化

在組裝了靜態(tài)初始阻值均為0.4Ω的Ti、Ni200和SS316加熱絲霧化器的自制續(xù)液式溫控電子煙儲(chǔ)液腔中分別準(zhǔn)確注入2 mL電子煙煙液，考察設(shè)定霧化溫度值為 180、200、220、240、260、280、300 ℃抽吸電子煙時(shí)的動(dòng)態(tài)阻值，見圖2。三種加熱絲的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)阻值監(jiān)測(cè)結(jié)果表明：同一霧化溫度下，Ni200的阻值最大，Ti次之，SS316最小，RNi200＞RTi＞RSS316。將三種加熱絲動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)阻值與工作溫度線性擬合發(fā)現(xiàn)都呈現(xiàn)較強(qiáng)的正相關(guān)，見表1。當(dāng)加熱絲溫度升高時(shí)，金屬內(nèi)部的自由電子運(yùn)動(dòng)隨霧化溫度加劇，使加熱絲的電阻隨溫度而呈線性變化，而電阻與發(fā)熱絲電阻溫度系數(shù)存在一定的正相關(guān)性，電阻溫度系數(shù)Ni200 (6×10-3)最大，Ti電阻溫度系數(shù)(3.66×10-3)次之，SS316電阻溫度系數(shù)(0.88×10-3)最小，故導(dǎo)致同一霧化溫度下動(dòng)態(tài)阻值RNi200＞RTi＞RSS316。

圖2 加熱絲阻值變化與霧化溫度的關(guān)系Fig.2 Relationship between heating coil resistance and atomization temperature

表1 加熱絲阻值變化與霧化溫度的線性擬合Tab.1 Linear fitting between heating coil resistance change and atomization temperature

2.3 不同加熱絲和霧化溫度下氣溶膠關(guān)鍵成分釋放量比較研究

按照CORESTA推薦的抽吸方法抽吸組裝了靜態(tài)初始阻值均為0.4Ω Ti、Ni200和SS316霧化器加熱絲的電子煙，考察三種加熱絲在霧化溫度為180、200、220、240、260、280、300℃下電子煙氣溶膠關(guān)鍵成分釋放量，見圖3，4，5。由圖可以看出：1）同一霧化溫度下，靜態(tài)初始阻值相同的Ti、Ni200和SS316加熱絲霧化煙堿、丙二醇和丙三醇的效率，Ni200最大，Ti次之，SS316最小；2）電子煙氣溶膠中煙堿、丙二醇和丙三醇釋放量均隨三種加熱絲霧化溫度的上升呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，煙堿釋放量在220～240℃溫度范圍內(nèi)快速增加，之后增幅不大。

圖3 相等阻值的不同加熱絲和霧化溫度對(duì)煙堿釋放量的影響Fig.3 Influence of heating coils with identical resistance and atomization temperature on the yield of nicotine

圖4 相等阻值的不同加熱絲和霧化溫度對(duì)丙二醇釋放量的影響Fig.4 Influence of heating coils with identical resistance and atomization temperature on the yield of propylene glycol

圖5 相等阻值的不同加熱絲和霧化溫度對(duì)丙三醇釋放量的影響Fig.5 Influence of heating coils with identical resistance and atomization temperature on the yield of glycerin

在同一霧化溫度下，采用Ni200加熱絲，電子煙氣溶膠的煙堿、丙二醇和丙三醇釋放量比Ti加熱絲和SS316加熱絲大。這主要與加熱絲材質(zhì)本身有關(guān)。為使三種加熱絲靜態(tài)初始阻值相同，需改變加熱絲線圈的接觸面積來改變電阻（根據(jù)公式ρ=R*S/L（R電阻、S截面積、L長(zhǎng)度、ρ電阻率）），而三種霧化器加熱絲的電阻率ρNi200＜ρTi＜ρSS316，故同溫下隨著加熱絲線圈長(zhǎng)度增大（LNi200＞LTi＞LSS316），煙堿、丙二醇和丙三醇釋放量也隨之增大。

三種加熱絲在霧化溫度小于220 ℃時(shí)，氣溶膠中的煙堿、丙二醇、丙三醇變化不大，這可能是由于三種成分的沸點(diǎn)分別為247 ℃、188 ℃、290 ℃，低于沸點(diǎn)難以霧化變成氣態(tài)的緣故。

2.4 同一加熱絲不同霧化溫度下氣溶膠中丙二醇、丙三醇變化規(guī)律

對(duì)同一種加熱絲在霧化溫度為180、200、220、240、260、280、300 ℃下丙二醇和丙三醇釋放量進(jìn)行研究，見圖6，7，8。由圖可知：三種加熱絲隨著霧化溫度升高，丙二醇釋放量高于丙三醇釋放量，當(dāng)溫度達(dá)到260 ℃后，煙液溶劑中丙二醇和丙三醇的相對(duì)釋放量發(fā)生了十分明顯的變化，丙三醇的釋放量高于丙二醇釋放量，這可能是因?yàn)殡娮訜煙熞褐袉挝毁|(zhì)量中丙二醇含量低于丙三醇的緣故。

圖6 Ni200加熱絲在不同霧化溫度下丙二醇和丙三醇的釋放量Fig.6 Influence of Ni200 heating coil on the yields of p ropylene glycol and glycerin under different atomization temperatures

圖7 Ti加熱絲在不同霧化溫度下丙二醇和丙三醇的釋放量Fig.7 Influence of Ti heating coil on the yields of propylene glycol and glycerin under different atomization temperatures

圖8 SS316加熱絲在不同霧化溫度下丙二醇和丙三醇的釋放量Fig.8 Influence of SS316 heating coil on the yields of propylene glycol and glycerin under different atomization temperatures

3 結(jié)論

本文通過電子煙綜合測(cè)試平臺(tái)探索了電子煙液在不同加熱絲和霧化溫度下電子煙氣溶膠關(guān)鍵成分釋放量的影響。研究結(jié)果表明：三種加熱絲動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)阻值與工作溫度呈現(xiàn)較強(qiáng)的正相關(guān)；同一霧化溫度下，采用Ni200作為加熱絲，電子煙氣溶膠的煙堿、丙二醇和丙三醇釋放量是最大的；煙堿在霧化溫度為220 -240 ℃之間釋放量速度最快；當(dāng)霧化溫度升高到260℃，丙三醇相對(duì)釋放量高于丙二醇。

通過本研究，我們不難發(fā)現(xiàn)在不同的加熱絲和不同的霧化溫度范圍內(nèi)電子煙煙液會(huì)釋放出不同口感的氣溶膠。電子煙煙液配方是影響抽吸品質(zhì)和感官體驗(yàn)核心，“溫控”則是必要保障。在溫控電子煙產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)可根據(jù)個(gè)人的對(duì)煙霧量和口感的需求來選擇加熱絲材料和控制霧化溫度范圍，以達(dá)到最佳的個(gè)人體驗(yàn)。綜合考慮這些因素對(duì)溫控電子煙產(chǎn)品設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。

[1]Burstyn I. Peering through the mist: systematic review of what the chemistry of contaminants in electronic cigarettes tells us about health risks[J]. BMC Public Health, 2014,14:18.

[2]Goniewicz M L, Knysak J, Gawron M,et al. Levels of selected carcinogens and toxicants in vapor from electronic cigarettes[J/OL]. Tobacco Control, 2013. http://dx.doi.org/10.1136/tobaccocontrol-2012-050859.

[3]Cressey D. Regulation stacks up for e-cigarettes: devices may be the'healthy'future of smoking--or a menace[J]. Nature, 2013,501(7468): 473-474.

[4]李保江. 全球電子煙市場(chǎng)發(fā)展、主要爭(zhēng)議及政府管制[J]. 中國(guó)煙草學(xué)報(bào), 2014, 20(4)：101-107.LI Baojiang. A global perspective on electronic cigarette′s future development and related controversial and regulatory issues[J].ACTA TABACARIA SINICA, 2014, 20(4)：101-107.

[5]Rachel G, Neal B, Stanton A G. Background paper on e-cigarettes(Electronic nicotine delivery systems)[M]. San Francisco：Center for tobacco control research and education university of California, 2013:6.

[6]蒸汽多.解讀溫控真正的含義 電子煙口感的未來.http://1vp.me/6304.html.

[7]Coresta Recommended Method No 81.Routine analytical machine for e-cigarette aerosol generation and collection-definitions and standard conditions. https://www.coresta.org/sites/default/files/technical_documents/main/CRM_81.pdf.

[8]蔡君蘭, 陳黎, 彭斌, 等. 氣相色譜法同時(shí)測(cè)定電子煙煙液中的煙堿, 1, 2-丙二醇和丙三醇[J]. 中國(guó)煙草學(xué)報(bào), 2016, 22(5): 1-9.CAI Junlan, CHEN Li, PENG Bin, et al. Simultaneous determination of nicotine, 1,2-propylene glycol and glycerol in e-liquids with gas chromatography method[J]. ACTA TABACARIA SINICA, 2016, 22(5): 1-9.