This study was conducted to evaluate the characterization of the pyrolysis products of propylene glycol(PG) and glycerine alone and together with tobacco. The weight change of the samples during the pyrolysis was measured by a thermal analyzer(STD-2960). The pyrolysis products were determined by GC/...
This study was conducted to evaluate the characterization of the pyrolysis products of propylene glycol(PG) and glycerine alone and together with tobacco. The weight change of the samples during the pyrolysis was measured by a thermal analyzer(STD-2960). The pyrolysis products were determined by GC/MS after pyrolysis using a curie-point pyrolyzer(CPP, $220^{\circ}C,\;420^{\circ}C,\;650^{\circ}C,\;and\;920^{\circ}C$) and a double-shot pyrolyzer(DSP, $220^{\circ}C,\;420^{\circ}C,\;650^{\circ}C,\;and\;800^{\circ}C$), respectively. The pyrolysis products from tobacco with and without the addition of PG($2\%$) and glycerine($2\%$ were assayed for its pyrolytic behavior. The results showed that a dramatic change in weight of PG and glycerine was observed at $175^{\circ}C\;and\;249^{\circ}C$, respectively. PG and glycerine showed different patterns for their pyrolysis products according to the method of pyrolysis. Namely, the change rate in pyrolysis with DSP was much higher than that of CPP at above $650^{\circ}C$. The major pyrolysis products of PG were propene, acetaldehyde, propanal, and acetol; the major pyrolysis products of glycerine were 2-propenal, 2-propenol, acetol, and acetic acid. In the pyrolysis experiments of tobacco added PG and glycerine, the pyrolysis products of PG and glycerine weren't detected additionally, except for diethyleneglycol diacetate. From these results, it can be concluded that the PG and glycerine added to tobacco would not be expected to pyrolyse extensively during smoking.
This study was conducted to evaluate the characterization of the pyrolysis products of propylene glycol(PG) and glycerine alone and together with tobacco. The weight change of the samples during the pyrolysis was measured by a thermal analyzer(STD-2960). The pyrolysis products were determined by GC/MS after pyrolysis using a curie-point pyrolyzer(CPP, $220^{\circ}C,\;420^{\circ}C,\;650^{\circ}C,\;and\;920^{\circ}C$) and a double-shot pyrolyzer(DSP, $220^{\circ}C,\;420^{\circ}C,\;650^{\circ}C,\;and\;800^{\circ}C$), respectively. The pyrolysis products from tobacco with and without the addition of PG($2\%$) and glycerine($2\%$ were assayed for its pyrolytic behavior. The results showed that a dramatic change in weight of PG and glycerine was observed at $175^{\circ}C\;and\;249^{\circ}C$, respectively. PG and glycerine showed different patterns for their pyrolysis products according to the method of pyrolysis. Namely, the change rate in pyrolysis with DSP was much higher than that of CPP at above $650^{\circ}C$. The major pyrolysis products of PG were propene, acetaldehyde, propanal, and acetol; the major pyrolysis products of glycerine were 2-propenal, 2-propenol, acetol, and acetic acid. In the pyrolysis experiments of tobacco added PG and glycerine, the pyrolysis products of PG and glycerine weren't detected additionally, except for diethyleneglycol diacetate. From these results, it can be concluded that the PG and glycerine added to tobacco would not be expected to pyrolyse extensively during smoking.
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문제 정의
그러나 curie-point type과 microfumace type(double-shot pyrolyzer)의 두 장치를 이용하여 기종간의 차이점을 비교 분석한 결과는 아직까지 보고된 바 없다. 본 연구에서는 담배용 보습제로 사용되고 있는 PG와 glycerine의 열분해 생성물을 curiepoint pyrolyzer와 double-shot pyrolyzer를 이용하여 비교 분석하고 이들 보습제를 담배에 첨가 하여 double-shot pyrolyzer에 의한 열분해 생성물과 연소시 주류연 성분들을 분석하였기에 그 결과를 보고코자 한다.
가설 설정
a) Courie-point pyrolysis, b) Double-shot pyrolysis.
제안 방법
PG를 curie-point pyrolyzer오!" double-shot pyrolyzerf- 이용하여 220℃, 420℃, 650℃, 800℃, 92(TC에서 각각 열분해하여 생성된 휘발성 성분을 GC/MS로 확인하여 비교 분석한 결과를 Table 1에 나타내었다. Table 1에서 나타낸 바와 같이 열분해 온도 420℃이하 에서는 peak area (%) 기준으로 열에 의해 변화되지 않는 PG의 양은 curie-point pyrolyzer 에서 86.
Curie-point pyrolyzer는 일본 JAI사 JHP-3S 장치를 사용하였으며 PG와 glycerine의 열분해는 이들 시료 각 10 g을 100 ml 용량 플라스크에 각각 넣어 용해시킨 후 syringe를 이용하여 1.0 를 pyrofoil에 주입하였고 시료가 주입된 pyrofoil을 Quartz tube에 넣은 다음 30초 동안 헬륨으로 purging 한 후 6초 동안 열분해하여 gas chromatography(GC) 주입구에 주입하였다. 이때 열분해온도는 220笆, 420℃, 650℃, 920℃에서 각각 수행하였다.
사의 PY-2020ID 장치를 사용하여 위 와 동일한 양의 PG와 glyceiine을 시료 컵에 넣 고 30초 동안 헬륨으로 purging한 후 220℃, 42 0℃, 650℃, 800℃에서 6초 동안 각각 열분해한 후 GC 주입구에 주입하였다. PG와 glycerine이 첨가된 잎담배와 무첨가 잎담배의 열분해 생성물 은 double-shot pyrolyzer에 의해 420℃ 와 650 ℃ 에서 각각 수행하였다. 본 실험실에서 제작한 장 치 (Fig.
TA 에 의한 중량 감소 경향 분석 (thermal gravimetric analysis)은 미국 TA Instrument사 SDT 2960을 이용하여 분석하였다. 시료 30 mg을 넣고 100 mL/min.
잎담배는 황색 종(후엽1등, 80%)과 버어리(후엽1등, 20%)을 혼 합, 분쇄한 시료와, 황색종과, 버어리를 혼합한 엽에 PG(2%, 중량비)와 glycerine(2%, 중량비)을 각각 첨가한 후 혼합, 분쇄한 시료를 열분해 실험에 사용하였다. 또한, 황색종(후엽1등, 80%)과 버어리(후엽1등, 20%)을 사용하여 제조된 권련담 배는 흡인저항을 120±5 mmH20, 중량은 850+10 mg 범위로 선별한 후 선별된 권련의 각초(560 mg) 부위에 PG(2%)와 glycerine(2%)을 syringe로 첨가한 시료와 무첨가 시료를 주류연 성분 분석 에 사용하였다.
PG와 glycerine이 첨가된 잎담배와 무첨가 잎담배의 열분해 생성물 은 double-shot pyrolyzer에 의해 420℃ 와 650 ℃ 에서 각각 수행하였다. 본 실험실에서 제작한 장 치 (Fig. 1)를 이용하여 PG와 glycerine을 첨가한 권련과 무첨가한 권련 1개피 씩을 각각 40 mL/2 초 용량으로 10초 간격으로 3회 연소시키면서 주류연 연기성분을 흡착제 (Tenax GR)에 홉착하였다. Tenax GR에 흡착된 주류연 성분은 일본 JAI 사 탈착장치 (JHS-100A)를 이용하여 GC 주입구 에 주입하였다.
Double-shot pyrolyzer는 일본 Frontier lab.사의 PY-2020ID 장치를 사용하여 위 와 동일한 양의 PG와 glyceiine을 시료 컵에 넣 고 30초 동안 헬륨으로 purging한 후 220℃, 42 0℃, 650℃, 800℃에서 6초 동안 각각 열분해한 후 GC 주입구에 주입하였다. PG와 glycerine이 첨가된 잎담배와 무첨가 잎담배의 열분해 생성물 은 double-shot pyrolyzer에 의해 420℃ 와 650 ℃ 에서 각각 수행하였다.
04 m/min)을 사용하여 split mode( split ratio 100:l)로 주입하였으며 이온화 전압(EI)은 70 eV로 하였다. 성분은 GC~MS mass spectrum과 HP-5973 chemstation data system에 의한 library 검색, 문헌상의 mass spectral data와 비교하여 확인 하였다.
속도의 헬륨 기체하에서 30℃에서 900℃ 까지 온도를 20℃/min. 속도로 승온하면서 PG와 glycerine의 중량감소 경향을 확 인하였다.
Tenax GR에 흡착된 주류연 성분은 일본 JAI 사 탈착장치 (JHS-100A)를 이용하여 GC 주입구 에 주입하였다. 열분해 생성물을 확인하기 위하여 HP 6890/5973 gas chromatography - mass selective detector(GC-MSD)를 사용하였다. 칼럼은 Innowax (60 m * 0.
본 연구에 사용된 PG와 glycerinee Merck사 (미국)로부터 구입해 사용하였다. 잎담배는 황색 종(후엽1등, 80%)과 버어리(후엽1등, 20%)을 혼 합, 분쇄한 시료와, 황색종과, 버어리를 혼합한 엽에 PG(2%, 중량비)와 glycerine(2%, 중량비)을 각각 첨가한 후 혼합, 분쇄한 시료를 열분해 실험에 사용하였다. 또한, 황색종(후엽1등, 80%)과 버어리(후엽1등, 20%)을 사용하여 제조된 권련담 배는 흡인저항을 120±5 mmH20, 중량은 850+10 mg 범위로 선별한 후 선별된 권련의 각초(560 mg) 부위에 PG(2%)와 glycerine(2%)을 syringe로 첨가한 시료와 무첨가 시료를 주류연 성분 분석 에 사용하였다.
대상 데이터
1)를 이용하여 PG와 glycerine을 첨가한 권련과 무첨가한 권련 1개피 씩을 각각 40 mL/2 초 용량으로 10초 간격으로 3회 연소시키면서 주류연 연기성분을 흡착제 (Tenax GR)에 홉착하였다. Tenax GR에 흡착된 주류연 성분은 일본 JAI 사 탈착장치 (JHS-100A)를 이용하여 GC 주입구 에 주입하였다. 열분해 생성물을 확인하기 위하여 HP 6890/5973 gas chromatography - mass selective detector(GC-MSD)를 사용하였다.
본 연구에 사용된 PG와 glycerinee Merck사 (미국)로부터 구입해 사용하였다. 잎담배는 황색 종(후엽1등, 80%)과 버어리(후엽1등, 20%)을 혼 합, 분쇄한 시료와, 황색종과, 버어리를 혼합한 엽에 PG(2%, 중량비)와 glycerine(2%, 중량비)을 각각 첨가한 후 혼합, 분쇄한 시료를 열분해 실험에 사용하였다.
성능/효과
3에 나타내었고 분리 된 성분들을 GC/MS로 확인한 결과는 Table 3과 같다. PG와 glycerine-f- 첨가한 담배를 420℃에서 열분해 했을 때 peak area(%) 기준으로 PG 1.8%, glycerine 5.9%가 증류되는 것으로 나타났으며, 650℃에서는 PG 0.4%, glycerine 6.0%가 열분해 되지 않고 증류되는 것으로 나타났다. 즉, 열분해 온도가 420℃ 에서 650 ℃ 로 상승될 때 glycerine 의 경우는 별 영향을 받지 않았으나, PG는 1.
PG와 glycerine을 curie-point pyrolyzer와 double-shot pyrolyzer를 이용하여 220℃, 420℃, 650℃, 800℃ 또는 920℃에서 각각 열분해 했을 때 열분해 온도가 420 ℃ 이하에서는 curie-point pyrolyzer에 비해 double-shot pyrolyzer에서 열분 해 율이 약간 낮았으나 650℃ 이상에서는 dou비eshot pyrolyzer에서 오히려 열분해율이 높게 나타났다. Thermal analyzer(TA)을 이용하여 PG와 glycerine의 중량감소를 분석한 결과 PG는 175℃ 부근에서, glycerinee 249 ℃ 부근에서 대부분의 중량감소가 일어났다.
glycerine을 위에서의 PG와 같은 조건에서 열분해하여 얻어진 생성물을 GC/MSD로 확인하여 비교 분석한 결과는 Table 2에 나타내었다. Peak area(%)에 의한 온도별 생성물을 비교하여 보면 온도 증가에 따라 2-propenal, 2-propenol, acetic acid 등의 열분해 화합물들은 함량이 증가한 반면에 glycerine의 함량은 감소하는 것으로 나타났다. glycerinee curie-point pyrolyzer에 의해 220℃에서 99.
PG와 glycerine을 curie-point pyrolyzer와 double-shot pyrolyzer를 이용하여 220℃, 420℃, 650℃, 800℃ 또는 920℃에서 각각 열분해 했을 때 열분해 온도가 420 ℃ 이하에서는 curie-point pyrolyzer에 비해 double-shot pyrolyzer에서 열분 해 율이 약간 낮았으나 650℃ 이상에서는 dou비eshot pyrolyzer에서 오히려 열분해율이 높게 나타났다. Thermal analyzer(TA)을 이용하여 PG와 glycerine의 중량감소를 분석한 결과 PG는 175℃ 부근에서, glycerinee 249 ℃ 부근에서 대부분의 중량감소가 일어났다. 또한, PG(2%)와 glycerine (2%)을 첨가한 잎담배와 무첨가한 잎담배를 double-shot pyrolyze로 420℃, 650’C에서 각각 열 분해 했을 때 PG와 glycerine에 의한 열분해 생 성물은 확인되지 않았으며 PG와 glycerine의 대 부분은 증류되는 것으로 나타났다.
Peak area(%)에 의한 온도별 생성물을 비교하여 보면 온도 증가에 따라 2-propenal, 2-propenol, acetic acid 등의 열분해 화합물들은 함량이 증가한 반면에 glycerine의 함량은 감소하는 것으로 나타났다. glycerinee curie-point pyrolyzer에 의해 220℃에서 99.4%, 420℃ 에서 86.6%, 650℃ 에서 79.0%, 920℃ 에서 62.7%로 열분해 온도가 220℃에서 920℃로 상승하면서 약 36.7%의 glycerine이 다른 열분해 생성물로 변화된 것으로 나타났으며, double-shot pyrolyzer에 의해서는 220℃에서 99.0%, 420℃에서 99.(% 650笆에서 52.9%, 800℃에서 2.4%로 열분해 온도가 420笆까지는 glycerine의 열분해율이 낮았으나 800℃에서는 220℃에 비해 약 96.6%의 glycerine이 열분해 되어 다른 생성물로 변화된 것으로 나타났다. 이와 같이 650℃ 이상에서 curie-point pyrolyzer 에 비해 double-shot pyrolyzer에서 열분해율이 상당히 높게 나타난 것은 시료컵 (cup)의 재질과 온도의 가열방식이 다르기 때문으로 판단된다.
또한, PG(2%)와 glycerine (2%)을 첨가한 잎담배와 무첨가한 잎담배를 double-shot pyrolyze로 420℃, 650’C에서 각각 열 분해 했을 때 PG와 glycerine에 의한 열분해 생 성물은 확인되지 않았으며 PG와 glycerine의 대 부분은 증류되는 것으로 나타났다. 그리고 실제 연소되는 조건과 유사한 실험을 위해 본 실험실에서 제작한 장치로 주류연 성분을 분석했을 때는 PG와 glycerine이 주류연으로 이행됨을 알수 있었고 PG와 glycerine의 열분해 생성물로는 diethyleneglycol diacetate(0.3%)만이 소량 확인되었다. 이러한 결과로부터 PG와 glycerinee 담배에 첨가시 열에 의해 변화가 크게 일어나지 않고 비교적 열에 안정한 물질인 것으로 판단된다.
이러한 결과는 filament의 온도를 300℃ 부터 승온하기 시작하여 약 420℃에 도달했을 때 대부분의 glycerine이 증류되기 때문으로 판단된다. 또한 PG와 glycerine의 중량감소 경향을 조사하기 위해 thermal analyzer(TA)을 이용하여 30 ℃ 에서 900℃ 까지 온도를 높이면서 분석한 결과 (Fig. 2) PG는 175℃ 부근에서, glycerinee 249℃ 부근에서 대부분의 중량감소가 일어났는데 이러한 결과는 이들 물질의 승화 특성에 기인한 것으로 생각된다.
또한 double-shot pyrolyzer로 열분해한 결과(Table 3)와 실제 연소되는 조건에서의 변화와 차이점을 확인하기 위해 Fig. 1의 장치로 연소시킨 결과(Table 4)를 비교하여 보면 3-vinyl pyridine 과 phenol 성분은 double-shot pyrolyzer 방식에서만 확인되었고 solanonee Fig. 1의 장치로 연소시킨 방식에서만 확인되었다. 그러나 furfural, 5-methyl furfural, furfuryl alcohol 같은 당의 열 분해에 의한 생성물(Schlotzhauer 등, 1982)과 hydrocarbons, alcohols 성분들은 두 방식 모두에서 확인되었다.
Thermal analyzer(TA)을 이용하여 PG와 glycerine의 중량감소를 분석한 결과 PG는 175℃ 부근에서, glycerinee 249 ℃ 부근에서 대부분의 중량감소가 일어났다. 또한, PG(2%)와 glycerine (2%)을 첨가한 잎담배와 무첨가한 잎담배를 double-shot pyrolyze로 420℃, 650’C에서 각각 열 분해 했을 때 PG와 glycerine에 의한 열분해 생 성물은 확인되지 않았으며 PG와 glycerine의 대 부분은 증류되는 것으로 나타났다. 그리고 실제 연소되는 조건과 유사한 실험을 위해 본 실험실에서 제작한 장치로 주류연 성분을 분석했을 때는 PG와 glycerine이 주류연으로 이행됨을 알수 있었고 PG와 glycerine의 열분해 생성물로는 diethyleneglycol diacetate(0.
담배가 연소할 때의 온도는 크게 CO, CO2, 휘발성 탄화수소 및 free radical들을 생성하는 고온대(600~900), 고온대에서 생성된 기체상의 물질이나 free radical들이 복잡한 반응을 일으키는 열분해-증류대(100~ 600℃) 및 저온대(100℃ 이하)의 3가지 구역으로 구분할 수 있다(Thomas 1975). 본 실험에서는 열 분해-증류대에 비해 고온대에서 새로운 열분해 생성물은 확인되지 않았고, 다만 peak area(%) 기준으로 nicotine의 함량이 27% 수준에서 8% 수준 으로 크게 줄어드는 경향을 나타내었다. PG(2%) 와 glycerine(2%)을 첨가한 담배와 무첨가한 담배 를 본 실험실에서 제작한 장치(Fig.
3%)만이 소량 확인되었다. 이러한 결과로부터 PG와 glycerinee 담배에 첨가시 열에 의해 변화가 크게 일어나지 않고 비교적 열에 안정한 물질인 것으로 판단된다.
33%) 등은 PG와 glycerine을 첨가하지 않은 담배에서는 확인되지 않았으나 이들 보습제를 첨가한 담배에서는 확인 되었다. 이러한 결과로부터 실제 흡연조건에서 PG와 glycerinee 주류연으로 이행됨을 알 수 있고, diethyleneglycol diacetate는 PG와 glycerine의 열분해에 의해 새로 생성된 물질로 추정된다.
열분해 장치를 이용하여 PG와 glycerine 자체만을 고온에서 열분해 하였을 때 여러가지 열분해 생성물이 확인되었으나 이들 보습제를 담배에 첨가하여 열분해하였을 때는 diethyleneglycol diacetate만 열분해 생성물로 확인되었고 그 외 성분들은 확인되지 않았다. 이런 결과를 보면 PG와 glycerinee 담배에 첨가시 열에 의해 변화가 크게 일어나지 않는 비교적 열에 안정한 물질인 것으로 판단된다.
또한, 열분해 온도 420℃ 이하에서는 curie-point pyrolyzer에 비해 double-shot pyrolyzer에서 열분해율이 약간 낮았으나 650℃ 이상에서는 double-shot pyrolyzer에서 오히려 열 분해 율이 높아졌다. 확인된 열분해 생성물의 수는 double-shot pyrolyzer에 비해 curie-point pyrolyzer에서 더 많은 것으로 나타났으며 주요 열 분해 생성물로는 propene, acetaldehyde, propanal, acetone, acetol 등이 확인되었다. 열분해에 의해 생성되는 탄화수소 및 free radical에서 유래되는 것으로 알려진 대표적 열분해 물질들인 benzene, toluene, styrene 등은 curie-point pyrolyzer에서는 650℃ 이상에서 확인되었고 double-shot pyrolyzer에서는 800℃에서 확인되었다.
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