红外光谱助力电子烟烟具原材料检测

电子烟是一种模仿传统卷烟的口吸式电子产品,主要由烟杆、雾化器、吸嘴3个部分构成。

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电子烟是通过雾化器将液体烟变成蒸汽,瞬间达到超高温,如果选用的材料不安全,反复加热的过程中会不断释放有毒物质。为此,电子烟使用的材料不仅要有优异的耐高温性能、机械性能,更重要的是无毒无害,与人体接触部位一般都要求用医疗食品级别材料。

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PCTG全称为聚对苯二甲酸乙二醇-1,4-环己烷二甲醇酯,是一种非晶型共聚酯,常用的共聚单体为1,4-环己烷二甲醇。PCTG是由对苯二甲酸、乙二醇和1,4-环己烷二甲醇三种单体用酯交换法缩聚的产物,与PET比较多了1,4-环己烷二甲醇共聚单体,与PCT相比多了乙二醇共聚单体,因此,PCTG的性能和PET、PCT大不相同。PCTG具有与玻璃一样的透明度和接近玻璃的密度,不含双酚A,无毒无害及阻燃性优良等优点,早先应用于化妆品包装以及塑料水杯较多。目前,PCTG在大部分电子烟的烟油仓、烟嘴、烟杆外壳等上面都有应用,而且需求量极大。

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透明尼龙是一类具备特殊结构的无定型结晶聚合物,它分子链上含有的侧基或环结构,破坏了分子链规整性,也就是说它不会结晶,或者微结晶,从而具有良好的透明性。

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跟普通的尼龙材料不同,透明尼龙一方面透明性优异(透明性甚至超过PC,接近PMMA),另一方面在耐环境应力开裂、耐油性溶剂、耐磨损等方面比一般的透明聚合物材料(如PS、PC、PMMA等)更为优越。

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电子烟透明尼龙结构件

作为PCTG的替代材料,在电子烟上面透明尼龙主要被用于油仓、烟嘴等部件。

雾化器是电子烟的核心部件,通过加热可以把烟油蒸发成烟雾,这个过程会产生200℃～300℃的高温。因此,雾化器及周边的配件必须选择耐高温且具有良好散热性的材料,这样才能经受得住加热雾化过程的高温,且不会因热量堆积而损坏雾化器。

除此之外,受热过程不能产生异味,破坏烟雾口感,同时还要有足够的强度,这样在中轻度磕碰或跌落后还能继续使用,不至于摔坏。

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高端电子烟的雾化器油仓材料选用的聚醚醚酮(PEEK)材料。PEEK目前在电子烟领域应用于电子烟烟具外壳、加热片底座、雾化仓等部位。

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PEEK是一种独特的半结晶、热塑性工程塑料,具有优异的化学性能,常被应用于热水或蒸汽环境中,可保持高水平的抗弯曲强度和抗拉强度,能耐高温,长期使用温度可达260℃,且高温下无任何气味、导热性能好。

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电子烟周边PEEK加热配件

高端电子烟雾化器的上盖外壳处还会采用聚亚苯基砜树脂(PPSU)改性材料。

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聚苯砜(PPSU)是一种新型的非结晶热塑性工程塑料,质量轻、强度高,且在高温下气味好,不含双酚A,在反复加热的情况下也不会变性,可消毒性好,可以长期与水接触,其典型应用之一是婴儿奶瓶,因此又被称做“奶瓶料”。

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上盖外壳采用PPSU改性材料

PEI学名聚醚酰亚胺,是具有高机械强度和刚度的非结晶性热塑性塑料,在大跨度的温度范围内和长期高工作温度下具有优异的抗蠕变性,此外,PEI还有非常好的抗水解性和尺寸稳定性,缺点就是价格略高。PEI主要在中高端雾化器烟嘴上应用较多。

PC材料具有透明、耐冲击性能好以及良好的尺寸稳定性,在电子烟雾化仓、烟嘴上有应用。据了解,E-hose电子水烟透明烟嘴采用的是PC塑胶件烟嘴,以及部分电子烟品牌也有采用PC材质的烟弹外壳。

电子烟也是电子产品,要保证防水、防尘、防摔,这样里面的电子元件才不会被损坏,保证其使用寿命。电子烟机身制造一般有金属塑胶复合成型、TPU或TPE材料类软胶双色注塑、硅橡胶成型等方法,并会对电池仓盖及接口等电气部位做特殊保护处理,以达到防水、防尘、防摔的“三防”效果。

有的电子烟机身采用金属+软胶包裹成型的方法制造。这种方法就是将金属框架放置于模具内,在金属框架的四周注塑包裹一层TPU或TPE类软胶。TPU软胶具有高耐磨性、加工性能好、耐油、耐水、无毒无味,能丝印及印刷加工。

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普通电子烟的按键与机体之间存在缝隙,很容易进尘进水,因此,按键一般会用硅胶一体成型或防水结构胶组装的方式实现防水防尘效果。硅橡胶具有优良的电气绝缘性及耐疲劳性等诸多特点,按键与包裹的硅胶层一体成型,防尘防水没问题,按键手感有力度。电池仓盖增加透明硅胶防水密封圈,通过挤压作用,硅胶变形密封螺纹间隙,起到防水作用。USB充电口配置软胶塞,软胶塞与USB座子通过软胶的紧配合,起到防尘防水作用。

碳纤维具有强度高、重量轻等特点,是一种力学性能优异的新材料,它的比重不到钢的1/4,碳纤维树脂复合材料抗拉强度一般都在35GPa以上,是钢的7.9倍,抗拉弹性模量为230GPa～430GPa,也高于钢。除此之外,碳纤维还有耐腐蚀、耐高温、耐摩擦等优点,不惧酸碱盐的腐蚀。

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在加热不燃烧烟弹中基本都会有PLA材料通过褶皱成型而制成的降温段。有拆解类文章显示,IQOS烟弹结构就包含有PLA烟油过滤片,如下图,从左到右的结构分别是过滤棉、PLA烟油过滤片、空心过滤、烟丝。

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IQOS烟弹结构拆解

除此之外,在传统香烟滤嘴的材料选用上,乙酸纤维素丝束是应用最广泛的材料,但它的降解速度较慢,因此近几年有人将PLA丝束用在香烟滤嘴上面,它在降解性、疏水性、抑菌性、降温、成本方面都有一定优势。值得注意的是,PLA材料对精油类的物质具有极高的阻碍性,也就是有很好的吸油性。

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烟杆和吸嘴部分对塑料部件的要求则不是很高,只要能保证外观好、能喷涂、能电镀,吸嘴部分能满足食品级要求,材质坚硬、不易划伤即可。因此,烟杆和吸嘴上一般采用的基本都是PC、ABS、PP、PE等通用塑料,价格便宜,经过电镀喷涂处理也能达到使用要求。有的高档电子烟的烟嘴会使用聚醚酰亚胺(PEI)材料。PEI是具有高机械强度和刚度的非结晶性热塑性塑料,在大跨度的温度范围内和长期高温下具有非常高的抗蠕变性。此外,它还具有非常好的抗水解性和尺寸稳定性,可耐200℃高温,高温下无气味,导热性和安全性都很好。除此之外,也有品牌的烟嘴会使用聚甲醛(POM),俗称超钢或者赛钢,其强度、刚度都很高,弹性好、耐磨性好,可在-40℃~100℃温度范围内长期使用。

以上这些材料都是电子烟涉及到的化工材料，这些材料他们价格不一，但形状相似。一旦在生产中投料出错，将造成企业的重大损失。因此原料鉴别步骤在每家企业都必不可少。

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红外光谱分析是一种根据物质的光谱来鉴别物质及确定它的化学组成，结构或者相对含量的方法。对于电子烟企业来说，红外光谱在烟具原料研究中的应用主要为：原料的分析与鉴别。不同的物质，其结构不一样，对应的图谱也不同，因此可以根据分析结果与标准谱图进行对比得到最终结果。