一种磁性纸、其制备方法及应用与流程

本发明属于烟草领域，具体涉及一种磁性纸、其制备方法及应用。

背景技术：

1、现有气溶胶制品常用电磁加热方式使气溶胶形成基质中的所需成分从制品中雾化，以形成可吸入气溶胶。特别是采用周向电磁加热方式的气溶胶制品，由于磁性材料感应产生的焦耳热需要透过包裹气溶胶形成基质的材料(如纸)传递给气溶胶形成基质，使得被气溶胶形成基质吸收的热量因包裹材料的屏障作用而被削弱，因此，为使气溶胶形成基质达到预期的雾化效果，需要延长制品预热时间并提高最大加热温度，进而提高电感器的输出功率，这样带来的不利影响除了造成气溶胶形成基质热利用效率低、热量分布不均，还使得用于加热气溶胶制品的加热装置能耗增大。

2、为此提出本发明。

技术实现思路

1、为改善以上缺陷，本发明提出一种磁性纸，本发明的磁性纸可用于包卷气溶胶形成基质并形成气溶胶生成段；气溶胶制品中的气溶胶生成段中的磁性纸中的磁性材料薄膜、涂层或图案经交变磁场穿透或切割后感应产生涡流，进而产生焦耳热，并以节能和高热利用率的方式加热气溶胶制品中的气溶胶形成基质。

2、本发明的技术方案如下：

3、本发明第一方面公开了一种磁性纸，其包括原纸12和磁性材料11；所述磁性材料11在原纸12外表面、或磁性材料11部分嵌入原纸12内、或磁性材料11完全嵌入原纸12内。

4、优选地，所述原纸12中含有纤维素和/或纳米纤维。

5、优选地，所述原纸12中含有碳纳米管。

6、优选地，所述原纸12中含有表面活性剂和/或改性剂、粘接剂、分散剂和阻燃剂。

7、优选地，所述纳米纤维为纤维素纳米纤维、芳纶纳米纤维或两种混合物；所述纳米纤维的直径为10-100纳米、长度为1-10微米。

8、优选地，所述磁性材料11为汲取交变磁场后能转化为热的纳米级铁磁性材料或亚铁磁性材料。

9、优选地，所述铁磁性材料或亚铁磁性材料为铁、铁合金、镍、镍合金中一种或几种。

10、本发明第二方面公开了所述磁性纸的制备方法，步骤包括：将磁性材料11涂布、真空辅助过滤、印刷、或激光划线到原纸12上；然后进行干燥、常温机械压制或热压。

11、优选地，所述涂布为浸涂、喷涂、棒涂、滴涂或旋涂中的一种；所述印刷为丝网印刷、凹版印刷、柔版印刷、喷墨印刷、电流体动力印刷中的一种。

12、本发明第三方面公开了所述磁性纸用于加热气溶胶基质产生气溶胶的用途。

13、所述磁性纸由原纸和磁性材料组成，原纸含有造纸用纤维素和/或纳米纤维素(nfs)；所述原纸中可含有或不含各种助剂，如表面活性/改性剂、粘接剂、分散剂、阻燃剂等。磁性材料在原纸上形成导磁通路。磁性纸在其导磁通路上感应产生涡流后，通过焦耳效应产生热。

14、磁性纸卷制成中空圆柱形管或制成其他任意形状。也可以事先由上述原纸成型为中空圆柱形管或其他任意形状，再将磁性材料与其结合。磁性纸可包卷气溶胶形成基质构成气溶胶生成段。磁性纸也可采用除包卷以外的其他方式与气溶胶形成基质结合构成气溶胶生成段。磁性纸可被气溶胶形成基质所填充构成气溶胶生成段。磁性纸可采用除填充气溶胶形成基质以外的其他方式与气溶胶形成基质结合构成气溶胶生成段。所述气溶胶生成段单独或与包含支撑段、降温段、滤嘴段的其他部分组成气溶胶制品。

15、nfs利于磁性纸塑造成具有高热稳定性和机械强度的所需形状，因此，优选含有nfs的原纸。nfs包括但不限于纤维素纳米纤维(cnfs)和/或芳纶纳米纤维(anfs)；其中，cnfs具有优异的机械强度和与亲水性基材(如造纸用纤维素)相容性好的优点；anfs除了有极佳的机械性能外，还有高的热稳定性、良好的防水性和优异的介电性能，更适合在高温高湿环境中的电气设备中使用。根据气溶胶制品加工工艺和使用温湿度要求，所用磁性纸或优先添加cnfs或anfs或两种的混合物。nfs的直径优选为10-100纳米，长度优选为1-10微米。

16、磁性材料为任何汲取交变磁场后能转化为热的材料，如铁磁性材料或亚铁磁性材料。如铁或铁合金如不锈钢、镍、镍合金如防腐性的fe-ni-cr合金等。磁性材料在磁性纸或纸基感受器中的磁几何构型或图案应能在汲取到合适的交变磁场后感应形成连续的涡流回路，且有与纸张柔性制造工艺想适配的机械性能。由于纳米材料具有大的比表面积、更强的力学性能如强度和韧性，优异的电、磁、热性能，磁性材料可选择磁性纳米材料如纳米颗粒、纳米片、纳米球、纳米棒、纳米管、纳米线等。特别地，铁磁性纳米线由于其高纵横比和极佳的电磁性能，可优选作为本发明可用的磁性材料以满足上述要求；铁磁性纳米线包括ninws、co nws、fe-ni nws、co-ni nws、co-fe nws、fe-co-ni nws、fe-mo-ni nws等。所述纳米线的长度为5-100μm，平均直径为5-500nm。

17、将磁性材料施加到原纸，或将磁性材料与事先成型的磁性纸结合的方法包含但不限于浸涂、喷涂、棒涂、滴涂、旋涂、真空辅助过滤、丝网印刷、凹版印刷、柔版印刷、喷墨印刷、电流体动力印刷、烫印、激光划线等。将磁性材料施加到原纸，或将磁性材料与事先成型的磁性纸结合的方法可以是上述方法中的一种或多种方法的组合。

18、将磁性材料施加到原纸，或将磁性材料与事先成型的磁性纸结合后，可通过干燥、常温机械压制或热压等后处理制得可用的磁性纸和成型的磁性纸，通过选择合适温度和压力，使磁性材料发生变形、互联和焊接，从而增加磁性纸的磁导率、机械刚性和感应导电性。

19、气溶胶形成基质包含在合适温度下能雾化形成可吸入气溶胶的材料。气溶胶形成基质雾化形成的气溶胶中含有雾化剂、香味物质和/或尼古丁，也可含有其他可吸入成分。气溶胶形成基质形态为固态、半固态及其他形态。气溶胶形成基质可由天然原料(如烟草和/或其他植物性原料)或合成原料(化学合成或生物合成原料)制得。气溶胶形成基质在气溶胶生成段中的形状为连续褶皱状、碎片状、长条状、细丝状、颗粒状、多孔或致密棒状、薄片状、卷筒状及其他规则或不规则形状。

20、所述磁性材料在原纸中的分布形式包括三种：(1)磁性材料位于原纸与气溶胶形成基质接触一侧并完全裸露在原纸外；(2)磁性材料位于原纸与气溶胶形成基质接触一侧并部分嵌入原纸内；(3)磁性材料完全嵌入原纸内部而不与气溶胶形成基质物理接触。见附图1。相应地，从加热方式看，磁性材料能与气溶胶形成基质物理接触的称为接触加热式，磁性材料不与气溶胶形成基质物理接触的称为非接触加热式。接触加热式中，外露的磁性材料全部或部分与气溶胶形成基质物理接触，涡流流经磁性材料后产生的焦耳热可以直接传递给气溶胶形成基质，加热速率更快，气溶胶形成基质对热的利用效率更高，同时磁性纸或纸基感受器外侧为绝缘层，可对磁性材料形成保护。非接触加热式中，磁性材料因完全嵌入原纸内部而减小外界温湿度的影响，同时由于磁性纸或纸基感受器较薄的厚度不对渗透至磁性材料的磁通量造成显著影响，因而不会对磁性材料的感应热向气溶胶形成基质的传递造成显著影响。接触加热式和非接触加热式磁性纸均与气溶胶形成基质集成为气溶胶制品；加热方式采取接触式或非接触式，可根据气溶胶形成基质及制品的性质、消费习惯及使用环境而定。

21、所述磁性材料在磁性纸和纸基感受器中可为薄膜状，也可为规则或不规则几何图案。通过调节所述磁性材料的施加量、涂布层数、图案形状尺寸或面积分数，在磁性材料与纤维素之间氢键作用、纤维素的粘结作用对磁性材料的导磁网络有效分散等综合作用下，可显著提高磁性纸和纸基感受器的磁导率，进而提高电导率，实现低驱动电压下加热至较高温度范围，以满足节能需求。所述温度范围为100℃～200℃、200℃～300℃、300℃以上。特别地，通过精细选择高磁导率、低电阻率和合适居里温度的一种或多种铁磁性纳米线，可以实现所需较高的加热温度。特别地，通过精细调节磁性材料在磁性纸中的面积分数，可以实现快速升降温或较短的热响应时间。所述磁性纸有长期加热稳定性和稳定的加热/冷却循环，有利于气溶胶制品在每次使用周期中，气溶胶形成基质不发生明显的热量累积，并在比较一致的温度条件下释放气溶胶，以确保使用气溶胶制品时的逐口感官一致性。

22、本发明的有益效果：

23、本发明的原纸12中优选含有nfs；nfs中的柔性纳米纤维相互缠结，使得nfs可以创建纳米级网络。一方面，通过增加每个纤维(fibril)或纤维之间氢键的数量来增强纤维网络的强度；另一方面，具有小尺寸、高表面积和柔性的nfs可以自然地增加网络的强度。从而nfs可以成功地改善纸张的抗拉强度。nfs可再生且易于回收利用。其中cnfs中的高活性羟基可以通过化学和物理处理进行修饰，以获得所需的性能，例如增加其与磁性材料之间的粘附性。其中anfs有助于提高磁性纸或纸基感受器的可燃温度，确保在高温(如＞300℃，但＜400℃)下气溶胶制品的使用安全性。

24、本发明的磁性纸优选含有铁磁性纳米线；铁磁性纳米线具有高纵横比和优异的力学性能，对于形成柔性导磁回路及涡流网络具有优势。具有优异的机械性能、热稳定性、柔韧性和孔隙率。

25、磁性纸具有低驱动电压、快速加热和高加热温度的特点，可满足气溶胶制品使用时节能、快热和即热即用的要求。在恒压供电模式下，增加磁性材料面积分数使得磁性纸电阻降低，同时使用具有较小面积的磁性纸，可表现出更高的饱和温度；在磁性纸输入功率一定时，随着磁性纸比热容、质量和面积的大幅减小，升温速率迅速增加。因此，控制磁性材料面积分数和供电电压，并调节磁性纸的比热容、质量和面积可调节相应的感应加热性能。

26、当磁性纸与气溶胶形成基质集成为气溶胶制品后，缩短了磁热转化路径，气溶胶形成基质对感应热的利用效率大幅提高，反过来将大幅降低加热装置的能耗。并且，由于气溶胶制品本身就集成了感受器，无需在气溶胶制品外围的加热装置上设置额外的感受器，大幅减小了加热装置的体积，也无需在气溶胶制品中内置块状感受器，降低了气溶胶制品制造难度。既节约了制造成本又利于便携。由于气溶胶制品可以在极短的时间内升温至所需工作温度，大幅缩短了加热装置的预热等待时间，可实现产品的即启即用。由于气溶胶制品可以在极短的时间内从工作温度冷却至常温，大幅降低了气溶胶形成基质中的集热问题，确保了气溶胶制品在每次使用周期的体验一致性。

27、采用铁磁性纳米线对于制备的磁性纸的优势进一步说明如下：

28、1、通过控制纳米线用量或驱动电压，容易调节磁性纸或纸基感受器的加热性能：如驱动电压恒定时，高含量铁磁性纳米线(如fe-ni nws)的磁性纸或纸基感受器由于电阻降低，加热温度升高；由于高效的fe-ni nws嵌入结构和互联的电磁fe-ni nws骨架，通过适度增加fe-ni nws面积分数，可在更低的驱动电压下获得高温，典型如fe-ni nws面积分数为0.5g/m2时，在3v驱动电压下，10s内温度可升至200℃以上；或者如fe-ni nws面积分数为1.0g/m2时，在2v驱动电压下，7s内温度可升至250℃以上；低驱动电压获得高温的有益效果是节约电能和降低能耗；2、对磁性纸施加交变磁场时，由于纳米线中感应加速的涡流电子与声子的非弹性碰撞而产生焦耳热，使得磁性纸迅速升温，而对磁性纸停止施加交变磁场时，由于没有焦耳热，使得磁性纸感受器温度迅速下降；尤其当大幅缩小磁性纸面积后(如＜100cm2)，由于涡流密度和功率密度大幅增加，升温和降温速率将会迅速增加，有望1s甚至毫秒数量级内迅速升温和降温。这有益于气溶胶制品使用过程中，减小气溶胶形成基质因前序热量的累积引起的后续感官的变化。同时，也因大幅缩短预热等待时间而改善了使用体验；另一有益效果是磁性纸加热至所需温度所消耗的电能减小。

29、本发明优选原纸中加入碳纳米管。加入碳纳米管的优势在于：碳纳米管的柔性、碳纳米管与纤维素之间的强结合以及纤维素衬底的多孔结构的联合影响，这些结构可以极大地减轻施加的弯曲应变。此外，纤维素纤维对碳纳米管的强大吸引力提供了抗损伤(如刮伤和剥落)的高膜稳定性。