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纳米涂料在烟叶烘烤中的应用及其前景点击：1913 日期：[ 2014-04-26 21:35:34 ] |
| 纳米涂料在烟叶烘烤中的应用及其前景 宋朝鹏 张钦松 杨超 李常军 宫长荣 摘 要：纳米科技是一门新型科学。简述了纳米涂料在烟叶烘烤中的应用机理,介绍了最新的研究进展,并结合烟叶烘烤现状分析了纳米涂料在烟叶烘烤中的应用及发展前景。 关键词：烤烟;烘烤;纳米涂料 烤房作为烘烤工艺的载体,是烟叶烘烤的关键设备[1]。近年来,随着密集烤房的大面积推广,我们已在烟叶烘烤设备和技术方面取得了重大突破[2, 3]。但是无论烤房设备如何创新,当前仍是采用热风循环对流传热的原理烘烤烟叶[1]。对流加热方式必须依赖于传热中间介质如空气、水蒸汽,气体分子被加热后发生振动,其动能只有一小部分传递给被加热的烟叶,而加热中间介质所消耗的热能大部分被浪费掉了,故对流传热的总体参数是一个低效率的数值[4]。以煤为主要热源的热风循环烘烤模式因其能耗高、污染大、效率低等不足之处,已经越来越难以满足现代烟草农业发展的要求[5, 6]。因此,如何利用现有烤房的设备条件,提高烟叶烘烤的热能利用率,降低成本,并确保烟叶烘烤质量,增加经济收益,是当前相关研究工作的主要任务。 纳米科技是20世纪80年代末90年代初逐步发展起来的前沿、交叉性新兴科学[7, 8]。近年来,纳米材料开始在卷烟工业中得到初步应用并已取得了一些阶段性成果[9~13]。特别是在提高卷烟的安全性,解决卷烟产品“降害与保香”方面成效显著[11~13]。但是纳米技术在烟草农业领域的应用还不多见, 2007年湖南省烟草公司联合一家企业成功开发出烟叶烤房用纳米功能涂料。据报道,该产品具有改善烤房的烘烤性能,降耗减排,降低烘烤成本,明显提高烟叶质量的功效。本文综述了纳米涂料在烟叶烘烤过程中的作用机理,以推进纳米涂料在烟叶烘烤中的应用。 1·纳米涂料简介 严格地讲,纳米涂料应称为纳米复合涂料(简称“纳米涂料”),一般由纳米材料与有机涂料复合而成。纳米涂料必须满足两个条件:一是至少有一种材料的尺度在1~100nm之间,二是纳米相使涂料性能得到显著提高或增加了新功能,二者缺一不可[14, 15]。 广义上讲,纳米涂料包括两种:金属纳米涂料和无机纳米涂料。金属纳米涂层材料主要是指材料中含有纳米晶相,无机纳米涂层材料则是由纳米粒子之间的熔融、烧结复合而得。通常所说的纳米涂料均为有机纳米复合涂料。目前,用于涂料的纳米粒子主要是某些金属氧化物(如TiO2、Fe2O3、ZnO等)、纳米金属粉末(如纳米Al、Co、Ti、Cr、Nd、Mo等)、无机盐类(如CaCO3)和层状硅酸盐(如纳米级粘土)[7]。从纳米涂料的生产工艺角度来讲,纳米涂料可分为两种:一种是通过添加纳米粒子对传统涂料进行改性,即纳米粒子在有机涂料中的物理填充,使纳米粒子在传统有机涂料中分散而形成纳米复合涂料;二是完全由纳米粒子组成的纳米涂层材料,即高体积分率的纳米粉末与聚合物、溶剂的化学复合。如军事隐身涂料、纳米抗菌涂料等[8]。 2·纳米涂料在烟叶烘烤中的应用机理 2·1 纳米涂料的电磁学性能 利用纳米粒子的表面电磁效应,可以制备出吸收不同频率电磁波的纳米复合涂料[15]。如不同粒径的Fe3O4对在1~1 000MHz频率范围的电磁波具有吸收性能,随着频率的增加,纳米Fe3O4吸收能效增加,且纳米粒径越小,吸收效能越高[8]。 烤房使用纳米涂料后,在温度较低时,对流传热仍占一定比例,但是伴随着烤房的升温,纳米颗粒的电磁辐射传热就会大幅度增加,当有足够大的温差时,辐射传热将占主导地位。由于辐射传热是以光的速度把热能传给烟叶,源源不断,它的辐射峰值波长在3~20μm之间均具有辐射率0·9左右的高峰值。因此,在烟叶表面和深处均产生较强烈的共振吸收和透过,特别是在5~6μm、10~14μm、20~30μm之间能极大地穿入到烟层内部和烟梗内部,促使烟梗内部分子和原子的共振,在烟梗内部产生“热量积累”形成“正热源”,使烟梗内部的温度高于表面温度,从而使热扩散与湿扩散的方向一致。这种湿度梯度产生的推动力,使内部水分连续不断地排出,同时,表面和里面的吸收达到互相协调,使动态含水率梯度明显下降,产生较理想的机械应力的平衡,有助于全面提高烟叶的质量和干燥速度[16~18]。 与对流传热比较,电磁辐射传热节省了加热中间介质所消耗的能量,提高了速度和效率。而且纳米颗粒的辐射是一种电磁波,具有气体传热不具备的穿透性,这种穿透性比烟叶表面向内部的由分子振动传热来得快而均匀。这种辐射传热效果,在烘烤时可使烤房各层烟叶的变黄、定色、干筋过程基本同步进行。 2·2 纳米涂料的光学性能 纳米涂料具有光催化性。将纳米材料掺入到涂料中可制得具有抗菌、环保、自清洁功能的纳米复合涂料[8, 15]。如纳米TiO2具有较高的光催化性,可高效分解有机物,可制成防污涂料。纳米SiO2也有很强的抗腐蚀性,并具有很好的自清洁性能和附着力,减少灰尘杂质等在涂料表面的沉积。 现行的烤房换热器大都使用煤炭作为能源[5],煤炭在燃烧过程中会在换热器的内壁沉积烟灰。烟灰有很强的隔热作用,换热器内壁覆盖很薄的一层烟灰就能显著降低换热器的热量转换效率。据试验,如果换热器内壁沉积0·3cm厚的烟灰,将多消耗8% ~10%的燃料[5]。在烤房换热器的内壁使用纳米防腐自清洁涂料,一方面可以减缓煤炭燃烧对金属换热器的腐蚀,另外也可以利用纳米涂料的自清洁能力,减少烟灰在换热器内壁的沉积,减少热气流的运动阻力,提高热量交换效率。 2·3 纳米涂料的流体力学性能 纳米粒子具有很强的流变性,可制成流平性或防流性极好的涂料[15]。如在纳米CaCO3改性的涂料中,当纳米固相体积分数达到20%时,涂料的粘度曲线存在低剪切稀化幂律特征区和高剪切牛顿区两个阶段,而且有明显的触变性。当乳胶漆的聚合物乳液的粒径为10~100nm时,其表面张力极低,有很好的流平性、流变性、润湿性与渗透性。利用纳米涂料还可制成含TiO2的亲水、亲油涂层或含阵列碳纳米管膜的超双疏(疏水、疏油)涂层,从而改善界面性能[15]。 研究表明,即使一个全新的、密封良好的烤房其热能利用率也只有60%左右,剩下的40%是通过墙壁的传导、辐射或空气的渗漏而损失。在密集烤房的加热室和装烟室的墙壁上喷涂经双疏处理的纳米涂料,可明显减少热气流输送过程中的能量损耗,提高换热效率。另外,涂料还能够弥补烤房墙体上的一些裂缝,有良好的隔热性能[5, 19]。 3·展望 现代纳米技术的应用为纳米涂料在烟叶烘烤上提供了新的机遇,然而作为一种新事物,其在烟叶烘烤方面的研究与开发还不成熟。由于纳米材料特殊的电磁特性、光学特性及流体力学特性使纳米涂料可以具有多种独特性能。但是,如何充分利用纳米材料的这些己知和仍然未知的特殊性能,并结合烟叶烘烤原理,拓展其应用范围是目前摆在烟叶烘烤工作者面前急需解决的问题。(1)研究纳米涂料电磁辐射与烟叶的相互作用及相关条件。烟叶可以有效地吸收电磁辐射是纳米涂料能够用于烤烟烘烤的基本依据。采用纳米涂料烘烤烟叶,其烘烤效果与涂料的电磁发射率及其配套的烘烤工艺密切相关。 今后应根据烟叶烘烤不同阶段,确定适宜的纳米涂料发射率及其相应的烘烤工艺。(2)研究纳米涂料的抗腐蚀性在密集烤房换热器中的应用。密集烤房金属换热器的腐蚀问题是限制密集烤房大面积推广的关键。开发一种高温耐酸蚀防护纳米涂料,可以改变当前密集烤房换热器成本居高不下的现状,延长烤房使用年限。 今后应把纳米材料的生产企业和涂料科研单位各自的优势结合起来,立足烟叶烘烤现状,加快纳米涂料在烤烟生产中的应用。 参考文献 1·宫长荣.烟草调制学.北京:中国农业出版社, 2003 2·宫长荣,潘建斌,宋朝鹏.我国烟叶烘烤设备的演变与研究进展.烟草科技, 2005, (11): 34~36 3·王卫峰,陈江华,宋朝鹏等.密集烤房的研究进展.中国烟草科学,2005, (3): 12~14 4·贾力,方肇洪,钱兴华.高等传热学.北京:高等教育出版社, 2003 5·宋朝鹏,贺帆,王战义等.提高烤房热能利用率的途径初探.安徽农业科学, 2008, 36(18): 7743~7744, 7751 6·汤明.烤烟烘烤节能现状与展望.安徽农业科学, 2007, 35(15):4549~4550 7·王为宗,陈丽.纳米涂料的研究与发展.天津化工, 2007, 21(3):13~15 8·胡涛,金叶玲,谭桂芳.纳米涂料应用进展.应用化工, 2005, 34(4):197~199 9·易锦满,文俊,杨庆.纳米材料在卷烟工业中的应用研究进展.烟草科技, 2007, (2): 8~10 10·聂聪,吕功煊,刘建福等.应用纳米催化材料降低卷烟烟气中CO研究.中国烟草学会2002年学术年会论文集(上册),2002:154~159 11·吕功煊,聂聪,赵明月等.应用含纳米贵金属催化材料降低卷烟烟气中CO技术研究.中国烟草学报, 2003, (3): 18~27 12·陈志钢,宋丹丹,贾志杰等.碳纳米管对香烟烟气中总粒相物的去除.应用化学, 2004, 21(4): 365~368 13·张悠金,杨俊,李婉.纳米材料降低卷烟烟气粒相有害成分的研究.化学研究与应用, 2001, 13(6): 709~711 14·王世敏,许祖勋,傅晶等.纳米材料制备技术.北京:化学工业出版社, 2002 15·张立德,解思深.纳米材料和纳米结构.北京:化学工业出版社,2005 16·汤定元.红外辐射加热技术.上海:复旦大学出版社, 1992 17·潘永康,王喜忠,刘相东.现代干燥技术(第二版).北京:化学工业出版社, 2007 18·(苏)A.C.金兹布尔格.食品干燥原理与技术基础.高奎元译.北京:中国轻工业出版社, 1986 19·王国红,于会鹏,沈建玖等.纳米隔热涂料控温试验和发泡聚氨酯控温效果对比分析报告.粮食问题研究, 2005, (5): 52~53 |
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