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。
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