Consultez le rapport sur la température maximale de chauffe

Mesure de la température maximale de
chauffe d’un e-liquide dans la mèche à
proximité de la résistance en fonction
des conditions d’acquisition
Expérimentateur : Jérémy Sorin
Responsable : Hélène Lalo
Date : 14/11/2014
Lieu : LFEL salle CB010
But de l’expérience : Nous souhaitons mesurer la température de chauffe d’un e-liquide au cœur de
la partie de la mèche entourée par la résistance d’une cigarette électronique dans des conditions
définies et maitrisées. Nous voulons en outre étudier l’influence : de la composition chimique de l’eliquide, de la présence d’un flux d’air dû à l’inhalation du vapoteur et du voltage utilisé sur la
température mesurée.
Contexte de l’expérience : Dans la cigarette standard, nous savons que la composition chimique de
la cigarette diffère de celle de la fumée générée par le phénomène de combustion inhérent à sa
consommation. C’est parce qu’il y a un évènement de combustion que de nouvelles espèces
chimiques toxiques apparaissent. Bien qu’aucune combustion n’intervienne dans la vaporisation d’un
e-liquide, d’autres phénomènes étroitement liées à la température, pourraient modifier la
composition chimique de l’e-liquide lors de sa vaporisation et induire la production d’espèces
potentiellement nocives. C’est par exemple le cas de la glycérine végétale qui lorsqu’elle est portée à
des températures avoisinant les 250°C pourrait subir une dégradation thermique et entrainer la
production d’acroléine, une molécule cancérigène.
La vidéo liée à ce rapport tente de mettre en évidence les influences de la composition chimique de
l’e-liquide, de la génération d’un flux d’air et de l’augmentation de la tension délivrée par la batterie
sur la température de chauffe de l’e-liquide dans la mèche, au cœur de la résistance.
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Matériel utilisé :
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batterie Spinner II (Vision) réglée sur 3.3V et 4.8V et chargée à 100%.
clearomiseur type stardust CE4 à mèche longue (Eleaf) avec une résistance REDUX-2
dual coils de 1.5 ohm.
E-liquides contenant seulement: du propylène glycol (100%), du glycérol (100%) ou
les deux composants en quantité égale (50/50).
Data logger thermometer YC-747UD (TCSA).
logiciel acquisition: Temp Monitor S2.
logiciel de traitement vidéo: windows live maker.
Protocole expérimental :
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Mise en place du thermocouple :
Tout d’abord, le clearomiseur est entièrement démonté, la sonde est alors passée successivement
par le drip-tip, la coque externe (en plastique) du clearomiseur puis par le cache en silicone qui a
pour but de protéger la résistance. Dès lors, le thermocouple (extrémité de la sonde) est placé au
cœur du coil formé par la résistance, à l’intérieur de la mèche. Appliquer une bonne force est
nécessaire pour faire rentrer correctement le thermocouple dans la résistance. Une fois en place, la
sonde est assez retenue par le serrage du coil pour ne pas se déplacer dans la mèche au cours de
l’expérience. Une attention particulière est portée sur le fait que le thermocouple ne doit pas être en
contact direct avec la résistance, auquel cas les températures mesurées seront très largement
supérieures aux intervalles de températures théoriques que le e-liquide n’est pas censé dépasser.
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Génération de la chauffe :
L’élévation de la température de l’e-liquide au cœur de la résistance est déclenchée par la mise sous
tension de cette dernière lors de l’activation de la batterie. La mise sous tension (chauffe) est
maintenue jusqu’au déclenchement de la sécurité de la batterie après approximativement 10
secondes. Après environ 10 secondes l’expérience est répétée.
Durant l’expérience présentant la mesure de la température au cœur de la résistance avec flux d’air
généré par un vapoteur, des mises sous tension de 7 et 10 secondes de la résistance ont été
effectuées. Ceci correspond à la plus longue inhalation que chacun des deux testeurs ont pu
produire.
On notera que lors des différents essais, un nouveau clearomiseur, une nouvelle résistance et une
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batterie chargée à 100% ont été utilisés.
Résultats : On remarque tout d’abord que dans toutes les expériences réalisées lors de cette étude,
un maximum de température est atteint par l’e-liquide au cœur de la résistance. En effet, lorsque la
mise sous tension de la batterie est maintenue assez longtemps, un plateau de température se
forme. Malgré le maintien de la mise en tension de la résistance, l’e-liquide ne chauffe plus au-delà
de cette température. C’est cette température que nous définissons comme température maximale
de chauffe de l’e-liquide : T MAX.
De plus il apparait que cette température soit dépendante de la composition PG/VG de l’e-liquide
testé :
Composition
(PG/VG ; v/v)
100/0
50/50
0/100
Tableau présentant T
du
e-liquide Température maximale de chauffe mesurée (°C)
160-180
190-200
290-300
MAX
mesurée en fonction de la proportion PG/VG du e-liquide testé. Les résultats sont obtenus avec
une batterie spinner II chargé à 100%, réglée pour délivrer une tension de 3.3V et une résistance REDUX-2 dual coils de 1.5
ohm.
On observe clairement que plus la proportion de VG est importante dans le e-liquide, plus la T
mesurée sur ce dernier est élevée.
MAX
Notons que les températures mesurées avec un e-liquide 50/50 (PG/VG) se situent
approximativement à 200°C. Lorsque nous répétons l’expérience avec un flux d’air généré par un
vapoteur utilisant la cigarette électronique, nous obtenons également des plateaux de température
(environ 145°C et environ 155°C) qui sont inférieurs à celui mesuré en absence de flux d’air. Ceci met
en évidence l’importance de considérer ces phénomènes de flux d’air lors de l’étude de la
température de chauffe de l’e-liquide car le flux d’air semble significativement diminuer T MAX. De
plus, on peut penser que d’une personne à une autre, une variabilité inter-individuelle au niveau du
flux d’air généré (intensité, cinétique…) lors de l’utilisation de la cigarette électronique pourrait faire
varier T MAX.
Enfin nous observons que dans les conditions de l’expérience, un liquide 100% PG possède une
température de chauffe maximale entre 160 et 180°C lorsque la tension appliquée à la résistance est
de 3.3V. En répétant l’expérience dans les mêmes conditions, mais cette fois avec une tension
appliquée à la résistance de 4.8V, aucune variation significative de la température maximale de
chauffe n’est observée. Par conséquent la tension appliquée à la résistance d’une cigarette
électronique semble ne pas avoir d’influence sur la température maximale de chauffe de l’e-liquide
qu’elle contient pour une résistance fixée à 1.5 ohm. Cependant on observe que lorsque l’expérience
est réalisée à 4.8V, le plateau représentant la température maximale de chauffe de l’e-liquide est
atteint plus rapidement. Autrement dit, dans ce cas-là, la cinétique de chauffe semble plus rapide.
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Conclusion : Il est peu surprenant d’observer que la température maximale de chauffe d’un e-liquide
dépende de sa composition chimique. S’affranchissant de nicotine et de solutions aromatiques, nous
avons pu montrer que plus la proportion de VG dans la composition de l’e-liquide était grande, plus
ce dernier avait une température de chauffe maximale élevée. De plus il apparait que T MAX mesurée
sur les e-liquides 100% PG (160-180°C) et 100% VG (290-300°C) se rapprochent de la température
d’ébullition de ces mêmes composés, respectivement 188°C et 290°C. Les températures d’ébullition
constituent une barrière physique qui ne peut pas être franchie en phase liquide. Lorsqu’un composé
atteint sa température d’ébullition et que nous continuons à lui fournir de l’énergie, celle-ci est
entièrement consommée par le changement d’état du composé (liquide -> gazeux) et la température
reste stable aux alentours de la température d’ébullition.
L’utilisation ou non d’un flux d’air lors de l’acquisition de T MAX montre que ce phénomène produit
pendant l’utilisation d’une cigarette électronique par un vapoteur, influence directement les valeurs
mesurées. En effet on peut penser que la génération d’un flux d’air produit localement un effet de
refroidissement du liquide lors de sa vaporisation ce qui a pour conséquence de diminuer les
températures maximales de chauffe mesurées en sa présence. Peu de temps après sa vaporisation,
l’e-liquide est entièrement sous forme gazeuse. Le refroidissement dû au flux d’air pourrait favoriser
la condensation de l’e-liquide gazeux en microgouttelettes, rendant l’aérosol généré visible à l’œil
nu. De plus, nous avons tenté de mettre en évidence les variabilités qui existent entre la manière de
vaper de deux personnes distinctes. On peut penser qu’en fonction de la façon de vaper des gens, le
plateau de température défini comme la température de chauffe maximale sera atteint plus vite ou
ne sera tout simplement pas atteint. Il apparait alors nécessaire d’avoir un instrument qui permette
de recréer les différents profils de vapotage afin d’identifier puis d’informer sur les comportements
qui augmenteraient les risques liés à l’utilisation de la cigarette électronique.
Enfin, nous avons pu observer qu’une fois la température maximale de chauffe atteinte, l’utilisation
d’une batterie délivrant des tensions plus élevées n’augmentait pas TMAX pour une même résistance
(1.5 ohm), ceci en raison de la température d’ébullition des e-liquides testés. Néanmoins nous avons
vu que la cinétique de chauffe du e-liquide était accélérée. Ceci devrait se traduire par un volume de
vapeur généré plus important puisque le liquide, dans ces conditions, est maintenu plus longtemps à
TMAX (proche de sa température d’ébullition), température à laquelle la vaporisation est grandement
favorisée.
Perspectives : Dans le but de confirmer et de compléter les résultats obtenus durant ces expériences
il nous semblerait intéressant de réaliser quelques manipulations complémentaires. Elles pourront
notamment étudier l’influence de la variation du type de résistance (simple ou double coil) et de sa
valeur sur TMAX et les cinétiques de chauffe observées. La mesure du profil de chauffe sur des
modèles entièrement reconstructibles (puissance délivrée par la batterie plus élevées, résistances
sub-ohmiques…) serait aussi d’intérêt, notamment dans la compréhension des processus physiques
inhérents à la cigarette électronique qui lui permettent d’être un dispositif d’administration de la
nicotine efficace.
Les travaux qui visent à étudier les cinétiques de chauffe et les TMAX d’e-liquides au cœur de la
résistance dans des conditions définies pourraient également présenter un intérêt concernant la
caractérisation de l’efficacité d’un dispositif de vaporisation. En effet, il serait utile d’établir des
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critères de fonctionnement que tout dispositif de vaporisation devrait respecter afin de garantir à
l’utilisateur une efficacité maximale pour un risque minimal.
L’étude de la cinétique de chauffe d’un e-liquide par un dispositif de vaporisation semble de premier
intérêt pour la vapologie, car elle transcrit l’interaction qu’il existe entre l’e-liquide et le dispositif de
vaporisation. Or c’est cette interaction que nous devons caractériser le plus précisément possible
afin de mieux définir et surtout d’orienter la vapologie dans la bonne direction.
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