改進電子煙多孔陶瓷霧化芯制作工藝的研究

吳任金

(江西理工大學(xué) 江西 贛州 341000)

隨著社會的發(fā)展，人們健康意識的提高，消費者對吸煙安全性提出了更高的要求。為了迎合市場需求，傳統(tǒng)卷煙的替代品——電子煙出現(xiàn)了。

電子煙，顧名思義就是電子的香煙，它是一種模仿卷煙的電子產(chǎn)品，有著與卷煙類似的煙霧、味道和感覺。通過將甘油，丙二醇，尼古丁和香精等變成蒸汽后，讓用戶吸食的一種產(chǎn)品。

多孔陶瓷霧化芯在電子煙產(chǎn)品中，起到傳輸和儲存煙油，產(chǎn)生霧化的作用。本文就電子煙所用到的多孔陶瓷霧化芯，對其工藝進行了改進，尤其是在多孔陶瓷和發(fā)熱組件之間增加了導(dǎo)熱層，縮短了加熱時間，提高了霧化效率。

1 實驗部分

首先，坯料制作：包括(1)骨料40%～60%的陶瓷粉體，陶瓷粉體是要包括氧化鋁，硅藻土，石英砂等。(2)黏合劑包括燒結(jié)助劑和膠，其中燒結(jié)助劑有：軟化溫度為500 ℃～1 000 ℃的玻璃粉、氧化鉀、氧化鈉等氧化物，膠為混合物包括30%～40%的PE、25%～35%的PP、2%～3%的PE蠟、25%～35%的石蠟、2%～3%的硬脂酸或油酸。 (3)造孔劑為了提高多孔陶瓷的氣孔率，選用聚苯乙烯微球、炭粉、面粉和木屑等，造孔劑的粒徑為50 μ m～100 μ m。

按照先后在密煉機中先加入膠，待膠全部融化之后緩慢加入造孔劑、燒結(jié)助劑，使燒結(jié)助劑和造孔劑密煉均勻1 h后再加入陶瓷粉體，在90 ℃～200 ℃的溫度下密煉2～8 h，得到密煉料。將塊狀密煉料放入造粒機中造粒，得到適合注射成型的顆粒料，將顆粒料加入注射機中于130 ℃～180 ℃的溫度，50m/s～60 m/s速度以及60 Mpa～120 Mpa的壓力下注射成型，得到注射生坯。

對于注射成型，能在極短時間內(nèi)將含水為19%～25%的塑性坯泥高速噴注入金屬模而成型，具有效率高，成型質(zhì)量好等特點，還有一個重要的特點就是毛坯和燒結(jié)后實際尺寸精度高，尺寸公差在1%以內(nèi)。因為多孔陶瓷一般都是半指甲蓋大小，這也是電子煙的多孔陶瓷運用注射成型的主要原因。

將注射生坯放入匣缽中，在匣缽中撒上埋燒粉至將注射生坯全部被埋燒粉覆蓋，將注射生坯進行排膠處理。將匣缽和注射生坯一起放入排膠爐中于400 ℃～600 ℃溫度、0.5 ℃/min～3 ℃/min升溫速率以及1 h～3 h保溫時間進行排膠處理，得到陶瓷素坯。

排膠也叫脫脂，目的是去除油脂類的有機添加劑，只有在燒結(jié)前把這些從坯體中清除，才不會造成后期產(chǎn)生各種缺陷。再有采用這種緩慢的升溫操作，是為了避免水分排出過快而使制品開裂，或由于收縮不均勻而變形。同時，在升溫的過程中，要保證過量的(氧氣)空氣供應(yīng)，使有機物充分的燃燒，并且也是為減少一氧化碳的產(chǎn)生[1]。

將陶瓷素坯置于燒結(jié)爐中，從室溫至800 ℃，升溫速率為6 ℃/min～10 ℃/min，保溫1～2 h，800 ℃～1 400 ℃燒結(jié)溫度，升溫速率為3 ℃/min，于燒結(jié)溫度下保溫2 h。

燒結(jié)溫度和保溫時間兩者之間，有一定的相互制約特性，可以一定程度地相互補償，以達到晶粒發(fā)展成熟，晶界明顯，收縮均勻，氣孔少的特點。

最后是采用急冷的方式(1～2 h)，降至室溫時，即可開爐取件。采用這種冷卻方式，能將高溫時的相結(jié)構(gòu)盡量地保存下來。到這一步，電子煙的多孔陶瓷部分就制作出來了。但這還只是電子煙多孔陶瓷霧化芯的一部分，還需要增加產(chǎn)生發(fā)熱的部分。

在多孔陶瓷的底部，印刷出導(dǎo)熱層。導(dǎo)熱層由氧化鋯、氧化鋁參比的碳化硅漿料涂覆形成，其中，氧化鋯的重量占比為6%，氧化鋁的重量占比為40%，導(dǎo)熱層進行印刷后，放到烘烤爐進行烘干，溫度85 ℃ 。增加導(dǎo)熱層的主要作用就是，使發(fā)熱電阻在發(fā)熱時傳導(dǎo)的熱量更均勻和更充分，避免因發(fā)熱電阻局部過熱而產(chǎn)生發(fā)熱不均勻現(xiàn)象。更進一步就是，發(fā)熱不均勻會導(dǎo)致煙油霧化后，口味發(fā)生變化[2]。

然后，再在導(dǎo)熱層上用 金屬鉑漿料( 粒徑為0.65 μm)印刷出兩個電極位置。電極的位置放在多孔陶瓷的兩端，目的就是預(yù)留出中間位置放置發(fā)熱電阻 。印刷出電極后，再進行烘干(溫度85 ℃)。

下一步就準(zhǔn)備添加電子煙多孔陶瓷霧化芯的重要部分：發(fā)熱電阻，在上面已完成的多孔陶瓷基礎(chǔ)上印刷金屬鉑或金屬鎢為主的導(dǎo)電漿料，再在85 ℃的烤爐進行烘干，發(fā)熱的阻值通常取1.0 Ω～2.0 Ω，以匹配大部分的普通電子煙，因為功率一般在5 W～10 W。

在電極和發(fā)熱電阻上印刷氧化鋁漿料保護層，烘干(溫度85 ℃)，將印刷烘干后的氧化鋁陶瓷放在1 050 ℃的 高溫下燒結(jié)形成陶瓷發(fā)熱體。

再在電極上印刷焊盤，烘干(溫度85 ℃)，最后將印刷烘干后的陶瓷發(fā)熱體在850 ℃ 中溫下燒結(jié)制備出多孔陶瓷霧化芯。

至此，一個完整的電子煙多孔陶瓷霧化芯就制作完成了(圖1：多孔陶瓷霧化芯的結(jié)構(gòu)分解示意圖)。

圖1 多孔陶瓷霧化芯的結(jié)構(gòu)分解示意圖

2 性能測試

2.1 氣孔率測試

采用阿基米德排水法測試多孔陶瓷霧化芯的氣孔率，結(jié)果是56%～58%。

2.2 抗壓強度測試

按照GB/T4740-1999測試標(biāo)準(zhǔn)，采用電子萬能試驗機對樣品彎曲強度測試，結(jié)果是20 MPa～30 MPa.

2.3 導(dǎo)熱效率

本實驗在多孔陶瓷與發(fā)熱組件之間增加了導(dǎo)熱層，該導(dǎo)熱層的導(dǎo)熱系數(shù)約為15～30 W/(m·K)，比多孔陶瓷的導(dǎo)熱系數(shù)2 ～5 W/(m·K)，高出近十倍。

3 結(jié)語

(1)本實驗改進了多孔陶瓷的制作工藝，通過注射成型，燒結(jié)助劑和造孔劑的配方改進，使得多孔陶瓷氣孔率達到56%～58%，彎曲強度為20 MPa～30 MPa，同時兼顧了高氣孔率和高強度。

(2)本實驗在多孔陶瓷和發(fā)熱組件之間增加了導(dǎo)熱層，熱傳導(dǎo)效率非常高，發(fā)熱電阻產(chǎn)生的熱量通過導(dǎo)熱層有效傳導(dǎo)散發(fā)，使電子煙多孔陶瓷霧化芯的熱量分布更均勻，從而有效地縮短了加熱時間，提高了霧化效率。

(3)本實驗多孔陶瓷霧化芯的保護層是采用1050℃的高溫進行燒結(jié)，高溫?zé)Y(jié)的耐熱溫度和耐熱沖擊能力大大提升了，在300 ℃～650 ℃溫度下使用，可靠性高，基本不會產(chǎn)生微裂紋。