一種新型的電子煙霧化方法研究

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(zé)任公司技術(shù)中心，云南 昆明 650231;2. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)(深圳) 機電工程與自動化學(xué)院，廣東 深圳 518055)

0 引言

近年來，隨著全球控?zé)熜蝿莸娜遮厙?yán)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孕滦蜔煵葜破罚蚱湓谏砀惺?、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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(fēng)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(dá)500～600 ℃，存在潛在安全風(fēng)險的同時，煙油高溫?zé)峤鈺尫湃╊惖扔泻Τ煞?，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(jìn)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(yīng)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(shè)計便攜性，結(jié)構(gòu)復(fù)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(yīng)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(lǐng)域，基于SAW聲流耦合效應(yīng)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(yīng)用的可行性、產(chǎn)生氣溶膠的過程及煙油霧化特性進(jìn)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(dāng)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(jìn)入液體產(chǎn)生聲流耦合效應(yīng)，并在微流體表面形成毛細(xì)波，當(dāng)表面毛細(xì)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(luò)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(jìn)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(xì)作用，將儲油槽中的煙油導(dǎo)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(biāo)準(zhǔn)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(shè)置為等間距，均為λ/4，其中λ為SAW波長，設(shè)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(jìn)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(yīng)曲線采用網(wǎng)絡(luò)分析儀(AV3656)進(jìn)行測試，結(jié)果如圖3所示。由圖可知，霧化芯片的頻率響應(yīng)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(xì)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(yīng)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(yīng)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(shè)置信號源產(chǎn)生對應(yīng)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(dāng)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(xì)-粘性效應(yīng)產(chǎn)生的；當(dāng)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(dāng)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(xì)波，但毛細(xì)擾動產(chǎn)生的慣性力還不足以克服煙油的表面張力；若進(jìn)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(yán)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(jìn)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(jìn)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(yīng)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(yīng)嚴(yán)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(yù)測霧化氣溶膠粒徑與輸入?yún)?shù)、煙油特性參數(shù)之間應(yīng)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(xì)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(xì)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(jìn)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(yù)測產(chǎn)生氣溶膠的粒徑為?1.13 μm。為了進(jìn)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(jìn)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(yù)測值基本吻合。此外，還對氣溶膠進(jìn)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(yīng)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(jìn)行了詳細(xì)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。