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 江西 贛州 341000)

隨著社會的發展，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，傳統卷煙的替代品——電子煙出現了。

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品。

多孔陶瓷霧化芯在電子煙產品中，起到傳輸和儲存煙油，產生霧化的作用。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熱組件之間增加了導熱層，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)黏合劑包括燒結助劑和膠，其中燒結助劑有：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、燒結助劑，使燒結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，成型質量好等特點，還有一個重要的特點就是毛坯和燒結后實際尺寸精度高，尺寸公差在1%以內。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，只有在燒結前把這些從坯體中清除，才不會造成后期產生各種缺陷。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，使有機物充分的燃燒，并且也是為減少一氧化碳的產生[1]。

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

燒結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，能將高溫時的相結構盡量地保存下來。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，還需要增加產生發熱的部分。

在多孔陶瓷的底部，印刷出導熱層。導熱層由氧化鋯、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%，導熱層進行印刷后，放到烘烤爐進行烘干，溫度85 ℃ 。增加導熱層的主要作用就是，使發熱電阻在發熱時傳導的熱量更均勻和更充分，避免因發熱電阻局部過熱而產生發熱不均勻現象。更進一步就是，發熱不均勻會導致煙油霧化后，口味發生變化[2]。

然后，再在導熱層上用 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，目的就是預留出中間位置放置發熱電阻 。印刷出電極后，再進行烘干(溫度85 ℃)。

下一步就準備添加電子煙多孔陶瓷霧化芯的重要部分：發熱電阻，在上面已完成的多孔陶瓷基礎上印刷金屬鉑或金屬鎢為主的導電漿料，再在85 ℃的烤爐進行烘干，發熱的阻值通常取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 高溫下燒結形成陶瓷發熱體。

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熱體在850 ℃ 中溫下燒結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構分解示意圖)。

圖1 多孔陶瓷霧化芯的結構分解示意圖

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，結果是56%～58%。

2.2 抗壓強度測試

按照GB/T4740-1999測試標準，采用電子萬能試驗機對樣品彎曲強度測試，結果是20 MPa～30 MPa.

2.3 導熱效率

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

3 結語

(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熱組件之間增加了導熱層，熱傳導效率非常高，發熱電阻產生的熱量通過導熱層有效傳導散發，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，高溫燒結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，基本不會產生微裂紋。