Термическое разложение жидкости для электронных сигарет
Введение
В области разработки жидкостей для электронных сигарет большое внимание уделяется вкусовой эффективности, доставке никотина, ощущению в горле и стабильности в течение срока годности. Тем не менее, одним коварным и часто недооцениваемым фактором являетсятермическая деградацияароматических соединений при испарении. Поскольку молекулы ароматизатора нагреваются — иногда до сотен градусов Цельсия — некоторая их часть можетломаться, образуя новые соединения, некоторые из которых могут быть раздражителями, токсикантами или нежелательными побочными продуктами аромата. Эта скрытая деградация может разрушить верность вкуса, вызвать посторонние ноты, усилить резкость или даже способствовать вредным выбросам.
Как производитель ароматизаторов для жидкостей для электронных сигарет, особенно в устройствах с тепловым приводом (электронные сигареты, капсульные системы и т. д.), вы должны разрабатывать ароматические системы не только для аромата и стабильности в жидкости, но и дляУстойчивость к термическим нагрузкам. Небольшие химические изменения — структурные разрывы, перестройки, окисление — могут значительно изменить воспринимаемый вкус, раздраженность или профиль безопасности.
В этой статье блога мы подробно рассмотрим:
Механизмы и пути термической деструкции молекул ароматизаторов в жидкостях для электронных сигарет
Факторы, влияющие на скорость и степень деградации
Аналитические и предиктивные методы для обнаружения скрытой деградации
Стратегии смягчения или контроля термической деградации
Рабочие процессы и передовой опыт в области исследований и разработок
Примеры, тематические исследования и будущие направления
С этим контентом ваша команда по созданию вкуса будет лучше подготовлена кУпреждение и контроль скрытой термической деградации, гарантируя, что ваши вкусы останутся чистыми, безопасными и соответствующими своему предполагаемому характеру при реальном использовании.
1. Механизмы и пути термической деградации
Когда ароматические соединения нагреваются во время испарения, могут происходить множественные химические превращения — некоторые тонкие, некоторые существенные. Понимание этих путей имеет важное значение для разработки более стабильных систем ароматизаторов.
Пиролизпредставляет собой термическое расщепление химических связей под воздействием тепла, часто в среде с низким содержанием кислорода или в инертных средах. Некоторые ароматические молекулы, особенно с двойными связями, ароматическими кольцами или лабильными заместителями, могут фрагментироваться или перестраиваться под действием пиролитического стресса.
Окислениепредставляет собой реакцию с остаточным кислородом (или активными формами кислорода), присутствующими в парообразном тракте или среде устройства. Даже следовые O₂ или металлические катализаторы могут ускорять окисление, образуя карбонилы, пероксиды, эпоксиды или карбоновые производные.
Перестановкивключают внутримолекулярные сдвиги (например, через радикальные или ионные промежуточные продукты), которые превращают один структурный изомер в другой, иногда с слегка измененным ароматическим характером.
ФрагментацияПроизводит более мелкие молекулярные фрагменты — альдегиды, кетоны, кислоты, фенолы или даже ароматические углеводороды, — которые могут иметь нежелательный запах или реакционную способность.
В результате, методПар может содержать молекулы, изначально не присутствующие в жидкости, некоторые из которых потенциально раздражают или вредны.
A study of 90 flavor chemicals under thermal degradation screening found that while many transferred > 95% intact, many still yielded tens of degradant molecules (even if as minor components).
Более того, сами базовые растворители (пропиленгликоль, глицерин) при нагревании разлагаются до альдегидов, таких как формальдегид, ацетальдегид и акролеин, способствуя фоновой нагрузке летучих карбонилов.
Не все вкусовые классы одинаково хрупки при нагревании. Некоторые ключевые наблюдения:
Терпены / монотерпены: Они особенно подвержены окислению и перестройке. Например, α-пинен и терпинолен подвергаются кольцевому раскрытию, эпоксидации, перегруппировке и расщеплению при 100–300 °C. Niu et al. идентифицировали соответственно 36 и 29 продуктов реакции в средах нагрева спирали, имитирующих пар.
Ароматические альдегиды / коричный альдегид / эвгенол: При повышенной температуре эти соединения могут окисляться или разлагаться дальше, образуя формальдегид, ацетальдегид, а иногда и бензол. Исследование аэрозолизации, проведенное в 2022 году, показало, что при более высоких температурах горение коричного альдегида и ментола значительно увеличивает образование формальдегида и ацетальдегида.
Сложные эфиры и сложные эфиры летучих кислот: Сложные эфиры подвержены гидролизу (при наличии следов воды), а также термолизу в спирт + фрагменты кислоты.
Гликозиды / производные сахара: При нагревании гликозидные связи могут расщепляться, сахара могут разлагаться до фуранов, гидроксиметилфурфурола (ЖМЖ) и т.д.
Спирты и взаимодействие растворителей и ароматизаторов: Некоторые спирты могут частично окисляться или взаимодействовать с ароматическими радикалами при нагревании.
Таким образом, молекулы ароматизаторов с ненасыщенными связями, ароматические системы или лабильные заместители сталкиваются с более высоким риском скрытой деградации.
1.3 Роль окружающей среды устройства: градиенты температуры, кислород, катализ металлов
Термическая деградация в реальных устройствах для вейпинга не является равномерной. Несколько факторов микросреды усугубляют скрытую деградацию:
Температурные точки: Нагревательный змеевик может иметь локализованные горячие точки, особенно в условиях сухого фитиля или насыщения с низким уровнем фитиля. Эти горячие точки могут превышать среднюю температуру змеевика и инициировать локальные реакции деградации.
Переходные скачки мощности / напряжения: В нестабильных системах подачи электроэнергии переходные скачки могут кратковременно повышать температуру, вызывая реакции деградации.
Остаточный кислород / радикалы: Небольшое количество кислорода из окружающей среды (или введенного воздуха) может управлять путями окисления, особенно в устройствах с забором воздуха. Исследование внешней модуляции показало, что присутствие O₂ и следов ионов металлов способствует окислению жидкостей для электронных сигарет при нагревании.
Металлический катализ и материал катушки: Нихром, нержавеющая сталь или другие сплавы могут катализировать радикальную химию, ускоряя деградацию. Поверхностные металлы (например, железо, медь) могут участвовать в окислительно-восстановительных циклах, образуя активные формы кислорода.
Время выдержки / продолжительность затяжки: Более длительные затяжки увеличивают время термического пребывания, что позволяет проявляться более медленным путям деградации.
Насыщение фитилем, жидкая пленка и пограничные слои параСценарии неполного насыщения или кипения пленки могут привести к частичному пиролизу ароматических соединений, прилегающих к змеевике.
Поскольку среда испарения динамична и пространственно неоднородна,Скрытая деградация может происходить в микродоменахДаже когда объемная температура кажется безопасной.
2. Факторы, влияющие на скорость и степень деградации
Чтобы справиться со скрытым разложением, вы должны понимать, какие факторы контролируют, насколько молекула ароматизатора будет разрушаться во время использования. Ниже приведены ключевые переменные и их взаимодействие.
Тепловая карта вейп-спирали
2.1 Энергия активации, прочность связи и молекулярная структура
Чем выше энергия диссоциации связи (BDE) или больше структурная стабильность, тем более термостойким является соединение. Ненасыщенные связи, слабые связи, заместители, стабилизирующие радикалы, или сопряженные системы могут снижать барьеры активации. Таким образом:
Сопряженные или ароматические системыможет стабилизировать радикалы, но также допускает перестройку или резонансное расщепление.
Электрон-донорные заместителиможет снижать энергию связи в соседних связях, увеличивая реакционную способность.
Стерическая помеха / молекулярная ригидностьможет замедлять разложение за счет ограничения конформационной подвижности.
Поэтому при выборе молекул ароматизатора отдавайте предпочтение соединениям сБолее высокая термическая стойкость(более высокие активационные барьеры) и избегайте структур с известными лабильными связями.
2.2 Концентрация, летучесть и локальное парциальное давление
Более высокая концентрацияароматизатора увеличивает его парциальное давление в области пара, что может привести к большему количеству путей реакции или радикальных взаимодействий.
Волатильность: Более летучие соединения проводят больше времени в паровой фазе вблизи змеевика и могут быть более подвержены разложению.
Локальные градиенты концентрации пограничного слоя: вблизи катушки высокая локальная концентрация может создавать микродомены с более высокой реакционной способностью.
Таким образом, снижение ароматической нагрузки или использование аналогов с более низкой летучестью может уменьшить термическое разложение.
2.3 Матрица растворителей (соотношение PG/VG, содержание воды, добавки)
Матрица, в которой находится аромат, может модулировать поведение деградации:
PG против VG: PG имеет тенденцию разлагаться на реакционноспособные карбонилы с большей готовностью, чем VG, добавляя окислительную нагрузку. Сбалансированная матрица или матрица с высоким содержанием VG может смягчать тепловое напряжение.
Содержание воды / влажность: Следовая вода может катализировать реакции гидролиза или поддерживать распространение радикалов.
Присадки / стабилизаторы: Антиоксиданты, поглотители радикалов, металлические хелаторы или кислотные буферы в системе растворителей могут ингибировать каскады деградации.
Ионная сила / соли: Ионные добавки могут влиять на радикальные пути или проводимость и катализ.
Тщательное управление составом базовой матрицы имеет важное значение для контроля скрытой деградации.
2.4 Параметры затяжки, время выдержки и схемы использования
Продолжительность и объем затяжки: Более длительные затяжки увеличивают время, в течение которого молекулы ароматизатора подвергаются воздействию высокой температуры.
Интервал между затяжками: Короткие интервалы могут не способствовать охлаждению, накапливая тепловое напряжение на слойках.
Настройка мощности / мощности: Более высокая мощность явно повышает температуру катушки и ускоряет кинетику деградации.
Сопротивление тяге и воздушный поток: Меньший поток воздуха (плотное вытягивание) замедляет охлаждение и усугубляет нагрев пограничного слоя.
При разработке рецептуры учитывайте «сценарии напряжения» (длинные затяжки, высокая мощность) в дополнение к номинальному использованию.
3. Аналитические и прогностические методы для выявления скрытой деградации
Поскольку скрытая термическая деградация может не проявляться в жидкости без вейпа, вам нужны специализированные аналитические стратегии и инструменты прогнозирования для ее обнаружения и количественной оценки.
Рабочий процесс обнаружения деградации жидкости для электронных сигарет
3.1 Аппараты для термического грохота (пиролизер + ГХ/МС)
Один золотой стандарт – этопиролизная установка в сочетании с ГХ/МС(или TD-GC/MS) для имитации нагрева змеевика и анализа продуктов пробоя. Например, Олдхэм и др. использовали пиролизатор, который имитирует условия катушки электронной сигареты для скрининга 90 ароматических химических веществ, количественно оценивая ацетальдегид, акролеин, глицидол и нецелевые деграданты.
Ключевые шаги:
Подвергайте аромат (в матрице) воздействию контролируемой повышенной температуры (например, 275–475 °C)
Сбор продуктов газообразного разложения
Анализ с помощью ГХ/МС, масс-спектрометрии или нецелевого сканирования
Сравнение остаточного исходного состава с вновь сформированными продуктами
Это дает вам профиль деградации и оценку того, как аромат может ухудшиться при реальном использовании.
3.2 Определение характеристик аэрозоля в реальных условиях вейпинга
Несмотря на то, что pyro-GC полезен, реальное тестирование устройства добавляет реализма. Используйте установки для контролируемого вейпинга для сбора аэрозоля и анализа на:
Сравнение ароматизированных и неароматизированных жидкостей
Например, исследования показали, что посредством аэрозолизации коричный альдегид и ментол производят больше формальдегида и ацетальдегида в условиях высоких температур.ПабМед
3.3 Предиктивное моделирование и машинное обучение
Последние достижения объединяют химинформатику и машинное обучение для прогнозирования реакционной способности пиролиза:
Исследование вНаучные отчетыиспользовал графовую сверточную нейронную сеть (GCN) для прогнозирования вероятных путей пиролиза для 180 ароматических химических веществ. Модель генерировала тысячи потенциальных продуктов деградации, многие из которых статистически коррелировали с экспериментальными массовыми данными.
Другие применяют прогностическую классификацию токсичности для прогнозирования того, какие разлагающие вещества могут представлять раздражающий фактор или опасность для здоровья.
Эти прогностические модели могут сортировать кандидатов на вкус до эмпирического тестирования.
3.4 Дифференциальный термический анализ, методы ТГА/ДСК
Такие методы, какТермогравиметрический анализ (ТГА)иДифференциальная сканирующая калориметрия (ДСК)Могут обеспечить термостойкость «отпечатков пальцев»:
ТГА выявляет потерю массы в определенных температурных диапазонах (что указывает на разложение).
ДСК показывает экзотермические или эндотермические переходы, возможно, соответствующие началу пробоя.
Сравнивая вкусовые соединения или смеси, можно отметить те, которые имеют низкую термическую стабильность.
3.5 Органолептическая и органолептическая валидация
Наконец, соотнесите аналитические выводы сСенсорная оценка:
Сравните интенсивность вкуса и внешний вид посторонних нот до и после теплового стресса (например, при нагревании образца или состаренном паре)
Параллельная оценка: свежие и «предварительно нагретые» образцы
Тесты на вкус или «нащупывание горла» для выявления тонких раздражителей
В совокупности эти методы дают целостную картину скрытого риска термической деградации.
4. Стратегии смягчения и контроля термической деградации
Учитывая потенциал скрытой деградации, выбор рецептуры может сыграть большую роль в ее снижении. Ниже приведены действенные стратегии.
Радикальные поглотители(например, затрудненные фенольные соединения) могут гасить промежуточные радикальные цепи перед дальнейшим разложением.
Металлические хелаторы(например, производные ЭДТА, хелатирующие лиганды) снижают каталитическую деградацию под действием следов металлов.
Кислотная или буферная стабилизация: слабокислая среда может препятствовать образованию радикальных каскадов.
Все добавки должны быть оценены на предмет безопасности и соответствия нормативным требованиям при вдыхании.
4.4 Оптимизация матрицы растворителей и контроля влажности
ИспользоватьVG-богатая или сбалансированная PG/VGсоотношения для снижения фонового термического напряжения от окисления PG.
Minimize water or humidity in the e-liquid (e.g. < 0.1%) to reduce hydrolysis pathways.
Контролируйте содержание ионов или солей, которые могут катализировать разложение.
4.5 Аппаратно-ориентированное проектирование: управление температурой, выдержкой и воздушным потоком
Ограничьте максимальную температуру катушки (например, с помощью конденсаторов мощности или контроля температуры).
Спроектируйте фитиль и поток жидкости для предотвращения ситуаций сухого фитиля или локального перегрева.
Обеспечьте достаточный поток воздуха (охлаждение) для удаления радикалов или реактивных веществ.
Используйте геометрии распылителя, которые уменьшают зоны застоя пограничного слоя.
Избегайте чрезмерной мощности или рабочих циклов, которые создают нагрузку на систему ароматизаторов.
4.6 Проектирование импульсного или ступенчатого нагрева (для современных систем)
Некоторые продвинутые устройства позволяютимпульсный нагревили ступенчатые профили питания. Вы можете:
Предварительный нагрев с более низкой мощностью, чтобы сначала испарить растворитель, уменьшив радикальную нагрузку
Используйте ступенчатое нарастание для уменьшения мгновенного теплового удара молекул аромата
Дизайн вкусовых систем со ступенчатой испаряемостью (меньше летучих ядер и больше летучих верхних нот)
Такой подход позволяет снизить мгновенное тепловое напряжение.
4.7 Методы инкапсуляции или микроинкапсуляции
Микрокапсулирование молекул ароматизатора может защитить их от прямого термического воздействия вплоть до испарения:
Используйте термически стабильные матрицы оболочек (например, диоксид кремния, липидные оболочки), которые разлагаются только при определенных температурах
Инкапсулируйте высокочувствительные соединения и высвобождайте их постепенно
Ко-инкапсулированный стабилизатор + ароматизатор для экранирования реакционноспособных центров
Инкапсуляция технически более сложна, но предлагает эффективный способ устранения рисков.
5. Рабочий процесс НИОКР и лучшие практики
Чтобы систематически учитывать скрытую термическую деградацию в процессе разработки ароматизаторов, следуйте дисциплинированному рабочему процессу.
5.1 Фаза I: Предварительный отбор и сортировка кандидатов
Молекулярный скрининг: Оценка потенциальных молекул аромата с помощью хеминформатики (например, энергия связи, структурная уязвимость).
Скрининг ТГА/ДСК: Проведите ранние испытания на термическую стабильность, чтобы отметить слабые молекулы.
Предиктивное моделирование: Использование машинного обучения или инструментов моделирования пиролиза для прогнозирования потенциальных продуктов деградации.
Исключите кандидатов с высоким риском перед формулировкой.
5.2 Фаза II: Настольная формулировка и моделирование термических напряжений
Создание прототипов вкусовых смесей в номинальных концентрациях.
Подверженныйтепловое напряжение(например, нагрев до 80–120 °C в течение нескольких дней или короткие импульсы, имитирующие нагрев катушки).
Используйте pyro-GC/MS для анализа продуктов разложения и потерь родительского вещества.
Сравните вкусы в категориях «легкий стресс» и «высокий стресс», чтобы понять кинетику разложения.
5.3 Этап III: Испытания аэрозолей на уровне устройства
Используйте эталонные устройства и режимы затяжки (различная мощность, продолжительность).
Соберите аэрозоль и проведите ГХ/МС или карбонильное улавливание для оценки образования побочных продуктов.
Сравните ароматизированную и пустую жидкость для электронных сигарет, чтобы изолировать деградацию, связанную со вкусом.
Проведите сенсорную проверку, чтобы выявить отклонения от нот или более резкое ощущение горла.
Повторно протестируйте обновленную версию на всех предыдущих шагах.
Допуски документов, пределы ухудшения качества и окно безопасного использования.
5.5 Фаза V: Долгосрочная валидация и стабильность
Выдерживайте старение при хранении в условиях стресса и окружающей среды.
Периодически моделируйте образование аэрозолей и проверяйте увеличение образования разлагающихся веществ с течением времени.
Отслеживайте, возникают ли скрытые пути деградации при изменении вкуса, чистоты или матрицы.
Накопите модель риска деградации для вашей линейки ароматизаторов.
Все этапы должны быть взаимосвязаны с органолептической валидацией, чтобы гарантировать, что стратегии смягчения последствий не ухудшают желаемое излучение аромата.
6. Тематические исследования и иллюстративные примеры
6.1 Случай: деградация α-пинена (терпена)
Niu et al. изучали α-пинен в условиях термической десорбции in situ (100–300 °C, переменный O₂) и идентифицировали десятки продуктов реакции (открывающиеся кольца, перегруппированные, окисленные соединения). Относительные концентрации зависели от температуры и кислорода.
Это подчеркивает риск использования монотерпенов в ароматизированных жидкостях для электронных сигарет, особенно при более высокой мощности, более длинных затяжках или устройствах с высоким воздействием воздуха.
6.2 Корпус: Коричный альдегид / ментол при высокой температуре
В экспериментах по аэрозолизации исследователи обнаружили, что при более высоких температурных режимах коричный альдегид и ментол значительно повышают уровень формальдегида и ацетальдегида, а в некоторых случаях даже бензола.
Таким образом, даже «мягкие» вкусовые добавки могут производить вредные побочные продукты в экстремальных условиях.
6.3 Случай: Поломка, вызванная уровнем мощности
В исследовании устройств электронных сигарет при нескольких настройках мощности Утияма и др. заметили, что продукты термического разложения варьируются в зависимости от мощности: более высокая мощность увеличивает выход альдегида, а продукты разложения, зависящие от вкуса, появляются в зависимости от марки и профиля нагрева.
Это указывает на важность разработки вкусовых систем, устойчивых к ожидаемым диапазонам мощности устройств.
6.4 Предсказательное и эмпирическое выравнивание
Прогностическая модель на основе GCN в исследовании Kishimoto et al. предсказала множество пиролизных превращений; при согласовании с данными фрагментации МС большая часть соответствовала наблюдаемым ионам продукта, что подтверждает прогностический подход.
Это говорит о том, что сочетание скрининга in silico с эмпирическими измерениями может ускорить оценку риска ароматизаторов-кандидатов.
7. Практические рекомендации и советы для инженеров по ароматизаторам
Ниже приведен сводный набор рекомендаций для принятия решений вашей командой:
Всегда просеивайте на раннюю температурную стабильность—Не ждите формулировок на поздних стадиях.
Минимизируйте нагрузку на ароматизаторгде это возможно.
Мониторинг влияния старения на срок годности: Производит ли выдержанная жидкость больше разлагающих веществ?
Операционные окна сейфа для документов: определение максимальной рекомендуемой мощности или продолжительности затяжки для каждой вкусовой формулы.
Использование предиктивного моделированиядля снижения эмпирической нагрузки.
Проведение сравнительного тестирования с бенчмарками конкурентовчтобы обеспечить безопасность ваших продуктов при реальном использовании.
8. Резюме и заключение
Скрытая термическая деградация ароматизаторов жидкостей для электронных сигарет является критическим фактором риска, который легко упустить из виду. В то время как стабильность жидкости часто находится в фокусе,Настоящим испытанием является производительность при нагревании. Мелкомасштабные химические изменения — разрывы связей, окисление, перегруппировки — могут быть не сразу заметны, но они могут вызвать отклонения от нот, раздражительность или вредные выбросы со временем или под воздействием стресса.
Применяя механистическое понимание, развертывая расширенную аналитику (пиролиз-GC, прогнозирование ML) и разрабатывая системы ароматизаторов с присущей им термостойкостью (выбор молекул, стабилизация, аппаратные ограничения), производители ароматизаторов могут значительно снизить риски скрытой деградации.
Наши рекомендации и анализ кейсов содержат дорожную карту для созданияВкусовые линейки, которые остаются верными, безопасными и чистыми в реальных условиях вейпинга.
Рабочий процесс обнаружения деградации жидкости для электронных сигарет
Призыв к действию
Хотели бы вы сотрудничать надсовместная разработка прототипов термостабильных ароматизаторовили запроситеБесплатные образцынашей устойчивой к деградации вкусовой серии? Наша команда готова к техническому обмену и индивидуальной поддержке рецептуры. Пожалуйста, свяжитесь с нами.
📩[информация@Cuiguai.com] 📞[+86 189 2926 7983] 🌐 изучить больше на【Www.cuiguai.com】
В течение долгого времени компания стремилась помочь клиентам улучшить оценки продуктов и качество вкуса, снизить производственные затраты и настраивать образцы для удовлетворения потребностей в производстве и обработке различных пищевых отраслей.
Комната 701, здание C, № 16, Восточная 1 -я дорога, Биньонг Нэнг, город Даоджо, город Дунгуан, провинция Гуандун
О НАС
Сфера бизнеса включает в себя лицензированные проекты: производство пищевых добавок. Общие проекты: продажи пищевых добавок; производство ежедневных химических продуктов; Продажи ежедневных химических продуктов; Технические услуги, разработка технологий, технические консультации, обмен технологиями, передача технологий и продвижение технологий; Биологические исследования и разработки корма; Исследования и разработки подготовки промышленных ферментов; Косметика оптом; внутреннее торговое агентство; Продажи санитарных продуктов и одноразовых поставков медицинских услуг; Розничная торговля кухонными принадлежностями, санитарной посудой и ежедневными солнцами; продажи ежедневных предметов первой необходимости; Продажи продуктов питания (только продажи предварительно упакованных продуктов питания).