Подробное руководство по вейпингу. Часть 4

Это четвёртая публикация Роберто Сассмана из серии постов, посвящённой аэрозолям для вейпинга, их свойствам, оптимальному режиму использования и сравнению с табачным дымом и другими аэрозолями.

Понимание того, как образуются, функционируют и могут быть протестированы аэрозоли для вейпинга, даёт знания, необходимые для понимания того, насколько они приятны в использовании, насколько они токсичны и насколько безопасны по отношению к табачному дыму, другим аэрозолям и загрязняющим веществам. Не будучи «экспертами», эти знания укрепляют нашу уверенность в роли вейпов в снижении вреда и помогают нам противостоять невежественной и злонамеренной дезинформации.

Эти знания укрепляют нашу уверенность в роли вейпов в снижении вреда и помогают нам противостоять невежественной и злонамеренной дезинформации.

В статье 3 были описаны тепловые процессы, происходящие в условиях режима перегрева, конечной точкой которого является «драйхит», т.е. «сухая затяжка».

В этой статье объясним, как устанавливаются параметры работы вейп-устройств для лабораторных испытаний. И почему текущий стандарт необходимо обновить для таких испытаний, чтобы получить ценную техническую информацию для установления стандартов контроля качества и оценки их профиля безопасности.

Основы лабораторных исследований

Поскольку приборы невозможно поместить в рот и горло человека, аэрозоли вейпа для анализа в лаборатории должны генерироваться «вейп-машинами», имитирующими вдыхание через насосный механизм. Эти вейп-машины произошли от устройств, традиционно используемых табачной промышленностью для тестирования сигарет. Их можно запрограммировать на активацию любого вейп-устройства, задавая ему различные значения времени затяжки, пауз между затяжками, мощности и скорости воздушного потока.

Лабораторные испытания очень полезны для производителей, вейп-шопов, медицинских работников, регулирующих органов и потребителей, предоставляя ценную техническую информацию, необходимую для установления стандартов контроля качества. Учитывая широкое разнообразие устройств, спиралей, смесей жидкостей для электронных сигарет, уровней содержания никотина и ароматизаторов, результаты этих испытаний также полезны для сравнения устройств и компонентов. Химический анализ образующегося аэрозоля предоставляет ценную информацию для оценки их профилей безопасности. Все эти вопросы имеют решающее значение для регулирования устройств и жидкостей.

Для обеспечения стандартов качества и сравнения продуктов лабораторные испытания должны быть стандартизированы, включая испытания, включающие блоки регламентированных затяжек с одинаковыми параметрами, с достаточным количеством затяжек на блок для статистической валидации результатов. Очевидно, что регламентированные затяжки не воспроизводят особенности поведения пользователей, но при адекватной «топографии» (параметрах затяжек) лабораторные протоколы могут служить разумным индикатором потребительского использования для оценки рисков и потенциального вреда от растворителей (пропиленгликоля и глицерина), никотина, токсичных побочных продуктов и ароматизаторов. Именно в этом вопросе условия оптимального режима оказываются весьма актуальными.

Ранние эксперименты и «формальдегидная паника»

Ранее, до 2014 года, в исследованиях вейп-аэрозолей тестировались сигалайки первого поколения – маломощные закрытые устройства в форме металлических сигарет. У этих устройств было несколько конструктивных недостатков: припои, провода и пластиковые элементы контактировали с жидкостью, подача никотина была недостаточной, а ароматизаторы были неприятными (вероятно, из-за протекания жидкости на внутренние компоненте).

Несмотря на эти недостатки, результаты их экспериментов неизменно показывали, что концентрация побочных альдегидов значительно ниже их уровня в табачном дыме. Хотя некоторые из этих исследований до сих пор цитируются, их результаты применимы только к устаревшим устройствам, которые, следовательно, больше не актуальны.

В период с 2014 по 2016 год появилось второе поколение новых устройств. Это были устройства с открытыми заправляемыми картриджами, напоминающие перьевые ручки. Было улучшено смачивание фитиля, а некоторые устройства позволяли пользователям регулировать напряжение и использовать вентиляционные отверстия для регулирования потока воздуха.

Сигалайк, клиромайзер и картомайзер

В 2014–2016 годах несколько исследований выбросов выявили тревожно высокие уровни трёх основных побочных продуктов альдегидов (см. статьи 2 и 3 ). В частности, «формальдегидный скандал» разразился после того, как исследование химиков из Портлендского университета выявило чрезвычайно высокие уровни прекурсоров формальдегида (которые авторы описали как «скрытый формальдегид»), значительно превышающие уровни в табачном дыме.

Формальдегид

В некоторых исследованиях, сообщающих о высоком содержании альдегидов, использовались так называемые устройства с «верхней спиралью», в которых фитиль и спираль располагались в верхней части атомайзера. Как показано на рисунке ниже, такая конструкция затрудняет смачивание фитиля жидкостью для электронных сигарет (против силы тяжести), что приводит к высокой вероятности нагревания спирали полусухого фитиля. Кроме того, путь отвода пара (принудительная конвекция) слишком короток для его эффективного охлаждения и конденсации. Такая конструкция была склонна к перегреву и образованию большого количества побочных продуктов, поэтому от неё отказались.

Устройство атомайзера с верхним расположением спирали

Ранние вейп-устройства первого поколения работали в узком диапазоне мощности и не имели возможности его контролировать. Тем не менее, пользователи замечали постепенное ухудшение вкуса при снижении уровня жидкости и полное жжение при её полном истощении, воспринимая это явление как «сухую затяжку» и немедленно прекращая использование. Очевидно, вейп-машины продолжали затягиваться даже в таких условиях.

Исследование Портлендского университета и другие подобные исследования были воспроизведены Константиносом Фарсалиносом и его коллегами, показав, что такие высокие уровни альдегидов возникали только при использовании машинных аэрозолей, которые отталкивали пользователей, и при «сухой затяжке» как конечном продукте режима перегрева, который был описан в статье 3.

В устройствах, протестированных в 2014-2016 годах, сухая затяжка рассматривалась как внезапное мгновенное событие, когда электронная жидкость истощается, тогда как это всего лишь конечная точка режима перегрева (как описано в Посте 3 ). Хотя этот режим очень быстрый в маломощных устройствах, его также можно протестировать с помощью функциональных кривых, описанных в статье 3. Путаница возникает из-за того, что пользователи этих маломощных устройств не контролировали подаваемую мощность, поэтому пересыхание жидкости происходило очень быстро после первоначального восприятия неприятного привкуса.

В 2018 году Фарсалинос и Гилман опубликовали знаменательный обзор 32 исследований эмиссии, опубликованных в период с 2013 по 2017 год. В нём основное внимание уделялось обнаружению карбонилов (органических химических веществ с двойными углерод-кислородными связями, включая альдегиды) в аэрозолях вейпов. В этом обзоре была выявлена ​​литература с нестабильным разнообразием экспериментальных стандартов (протоколов затяжек и аналитических методов), при этом большинство авторов, упомянутых в обзоре, не знали о возможности того, что их вейп-устройства могут производить нереалистичные аэрозоли при сухой затяжке. К сожалению, эта проблема и отсутствие универсального стандарта тестирования сохраняются до настоящего времени.

Помимо карбонилов, наличие побочных продуктов химических ароматизаторов и металлических элементов в аэрозоле может вызывать беспокойство. Мы рассмотрим эти побочные продукты в следующих публикациях.

Стандарт CORESTA

Единственный общепризнанный стандарт лабораторной дегустации аэрозолей и жидкостей для вейпинга был введён Центром сотрудничества по научным исследованиям в области табака (CORESTA) – ассоциацией, членами которой являются компании, институты, лаборатории и организации, занимающиеся исследованиями и разработками в области табака или продуктов его переработки (включая «продукты для электронных сигарет»). Целью ассоциации является содействие международному сотрудничеству и обмен передовым опытом в области научных исследований.

Частью стратегии CORESTA является инициирование конкретных мероприятий (рабочих направлений), осуществляемых рабочими группами в совместном порядке, для подготовки технических отчетов, баз данных, руководств, рецензируемых статей и рекомендуемых методов CORESTA (CRM). Подгруппа EVAP («e-vapor»), основанная в 2016 году, занимается вейпами (устройствами, аэрозолями, электронными жидкостями), создавая 5 руководств, 5 CRM и 13 технических справочных отчетов. Среди ее технических документов, посвященных различным вопросам (включая химический анализ), наиболее релевантным CRM для руководства по образованию аэрозолей в вейп-машинах является CRM № 81, сопряженный со стандартом ISO 20768, задачи которого — «Рутинная аналитическая машина для образования и сбора аэрозоля электронных сигарет — определения и стандартные условия».

CRM № 81 был задуман как адаптация стандарта CRM № 22 (ISO 3300) для лабораторных испытаний табачного дыма, производимого с помощью курительных машин, к ранним вейп-устройствам. Поскольку подавляющее большинство пользователей были курильщиками или недавно бросили курить, было вполне понятно, что рекомендуемые параметры затяжки не сильно отличаются от параметров курения:

• длительность затяжки 3 с
• промежуток между затяжками 30 с
• объем распыления 55 мл
• Скорость потока воздуха 1,1 л/мин

Эти параметры затяжки соответствуют стилю парения «изо рта в легкие» с задержкой в ​​ротоглоточной полости перед вдыханием в легкие, что похоже на ритуал затяжки, используемый многими курильщиками.

Эволюция рынка вейпа

Лабораторное тестирование вейп-устройств полезно, поскольку отражает тенденции и привычки потребителей. К сожалению, стандарты тестирования (включая CORESTA) не успевают за развитием рынка.

С 2015 года появилось более широкое разнообразие устройств. В то время как курильщики продолжали переходить на вейпинг и нуждались в табачных сигаретах в качестве полезного ориентира, миллионы вейперов уже отказались от курения и не нуждались в вейпах, схожих по характеристикам с сигаретами. Эти вейперы приветствовали не только более широкий выбор жидкостей и уровней никотина, но и более гибкую (даже модульную) конструкцию устройств, которая требовала разных привычек затяжки, а также физических изменений в характеристиках устройств: аккумуляторах, сопротивлении, потребляемой мощности и воздушном потоке.

Выдыхание более крупных и густых аэрозольных облаков требует генерации большего количества пара из жидкости, что влечет за собой более высокую мощность, подаваемую на спираль. Этот дополнительный пар требует от пользователя гораздо более глубокого вдоха (прикладываемого потока воздуха) для эффективной эвакуации, охлаждения и конденсации этого большого количества пара жидкости. Все это потребовало новых устройств, конструкция которых должна была изменить физические параметры устройств. Как показано на рисунках 2, 3 и 4 статьи 2, приятное парение с термодинамической эффективностью требует сочетания высокой мощности (выше 40 Вт) с более низким сопротивлением (ниже 1 Ом), низкой концентрацией никотина и широкими мундштуками, которые уменьшают сопротивление воздуха, чтобы обеспечить глубокую затяжку «прямо в легкие» (большой поток воздуха), который обходит задержку в горле при стиле «сначала в рот, затем в легкие».

Модульные «моды» третьего поколения стали популярными в период с 2016 по 2019 год, но только меньшинство ниши преданных ветеранов-пользователей генерировали огромные облака посредством очень глубокого вдыхания с устройств (так называемых «сабомных») с очень высокой мощностью (40–200 Вт), очень низким сопротивлением (ниже 0,3 Ом) и, как правило, с жидкостями с более высоким содержанием VG и низким содержанием никотина. Однако большинство вейперов, переходящих на модульные модели баков, просто хотели немного больше облака и дополнительную гибкость (мощность и управление обдувом) по сравнению с клиромайзерами и картомайзерами. Тем не менее, переход от устройств с баками второго к третьему поколению действительно включал расширение диапазонов мощности (10–20 Вт) и более глубокую затяжку, чем у ранних устройств.

Однако с 2019 года потребительские тенденции сильно сместились в сторону устройств с баками меньшей мощности (которые оставались популярными). Кроме того, появилось новое четвёртое поколение устройств, называемых «pod’ами», которые сочетали в себе компактность ранних сигалайков и картомайзеров с более продвинутым дизайном и даже пользовательским управлением. Некоторые Pod’ы были заправляемыми, некоторые использовали сменные картриджи (Juul), некоторые работали на солевом никотине высокой концентрации, некоторые — на очень низкой мощности, а некоторые могли работать на средних уровнях мощности (10–40 Вт). С 2021 года появился новый тип устройств: одноразовые, которые в целом повторяют конструкцию pod’ов, но не заправляются и не используют картриджи.

Баки, поды и одноразки

Конструкция новых устройств предусматривает широкий спектр модификаций функциональных параметров (мощность, сопротивление спирали, воздушный поток, уровень никотина, сопротивление воздуха), а также модификации ритуалов пользователей, которые определяют «стили вейпинга», включая промежуточные стили затяжек между крайними очень плотными «изо рта в легкие» (узкие мундштуки и низкая мощность/поток воздуха) и исходящими огромными облаками «прямо в легкие» (широкие мундштуки и высокая мощность/поток воздуха).

Актуален ли стандарт CORESTA?

Стандарт CORESTA (Рекомендуемый метод CORESTA № 81, ISO 20768) не накладывает ограничений на потребляемую мощность и сопротивление спирали. Однако его применимость к широкому спектру доступных в настоящее время устройств (как описано выше) серьёзно ограничена фиксированным расходом воздуха 1,1 л/мин. Расход воздуха через аэрозоль в мундштуках является важным фактором, характеризующим вейп-устройства. Вдыхание расширяет лёгкие и снижает давление в них относительно атмосферного. Эта отрицательная разность давлений представляет собой «перепад давления», который вытягивает аэрозоль из мундштука (предполагая, что он представляет собой цилиндрический канал). При условии постоянной плотности аэрозоля (греческая буква ро — ρ) и ламинарного течения без учёта вязкости, закон сохранения энергии внутри мундштука (уравнение Бернулли) связывает давление внутри мундштука P и квадрат скорости аэрозоля в начальный момент времени (до вдоха «1») и в конечный момент времени (после вдоха «2») по формуле:

Где P1 — атмосферное давление, а v1 = 0, поскольку аэрозоль не движется при нулевом перепаде давления (давление внутри мундштука равно атмосферному давлению). Другие обозначения: Q — расход воздуха (объем/время = л/мин), A — площадь поперечного сечения воздуховода (мундштука). Сопротивление воздуха AR измеряет пропорциональность между перепадом давления P-P1 и расходом воздуха Q, вычисляемым по формуле, приведенной выше.

Эта формула (приближенное уравнение Дарси-Вейсбаха) показывает, как большое сопротивление воздуха AR соответствует узкому мундштуку (малому A) и требует большого перепада давления. Аналогично, малое сопротивление воздуха AR соответствует широкому мундштуку (большому A) и требует гораздо меньшего перепада давления. Эта зависимость была экспериментально построена Суле и соавторами для множества отдельных устройств.

Соулет, С и др. https://doi.org/10.3390/app11115254

где предел дыхания 10000 pPa (102 см вод. ст.) — это максимально возможное падение давления у мужчин (у женщин оно составляет 6500 pPa) (ссылка). Эти измерения показывают, в какой степени скорость потока CORESTA 1,1 л/мин может быть ограничивающей:

• Все маломощные устройства (Juul, Blu, кривые слева) могут работать при умеренном усилии (20% от максимального падения давления) со скоростью потока воздуха до 2 л/мин.
• Устройства средней мощности 10–40 Вт могут работать даже при умеренных усилиях со скоростью потока воздуха 3–6 л/мин.
• Мощные устройства (кривые под диаграммой) могут обеспечивать высокую скорость воздушного потока, близкую к 10 л/мин, с минимальными усилиями.

Физическая связь между сопротивлением воздуха и скоростью воздушного потока показывает, что (теоретически) любое устройство может работать с любой скоростью воздушного потока, но механика дыхания показывает, что только для устройств малой мощности поток воздуха CORESTA 1,1 л/мин является постоянным (естественным и комфортным) и, следовательно, соответствует реалистичным условиям тестирования. Для многих устройств средней мощности и для всех мощных сабомных устройств этот поток воздуха слишком мал. В частности, для лабораторного тестирования сабомных устройств поток воздуха CORESTA 1,1 л/мин соответствует совершенно нереалистичным условиям, которые не имеют никакого отношения к потребительскому использованию для парения «прямо в лёгкие» (и противоречат физике механики дыхания).

Наконец, чтобы проиллюстрировать, как функциональные кривые оптимального режима могут быть полезны в лабораторных испытаниях, рассмотрим Cubis (Joyetech) – промежуточное устройство со стандартным сопротивлением намотки 1 Ом. Это устройство можно использовать как при низком потоке воздуха (стиль «рот в лёгкие»), так и при высоком потоке воздуха (стиль «сначала в рот, затем в лёгкие»). Однако для лабораторных испытаний, позволяющих избежать перегрева (оптимальный режим), диапазоны мощности следует знать заранее. Функциональные кривые для этого устройства были получены Суле и др.

Функциональные кривые бака Cubis (Jeyetech)

Для режима CORESTA (низкая мощность 1,1 л/мин) устройство следует тестировать в диапазоне 7–28 Вт, а для режима 10 л/мин (интенсивный) — 9–40 Вт. Производитель рекомендует диапазон 10–25 Вт, что примерно соответствует режиму CORESTA, хотя, как показано на рисунке выше, при умеренных усилиях можно достичь скорости 5–6 л/мин, избегая перегрева при более высоких уровнях мощности. Эта информация скрыта, если тестирование ограничено фиксированной мощностью CORESTA 1,1 л/мин.

Выводы и дальнейшие статьи

Тестирование вейп-устройств в лабораторных условиях важно для оценки их качества, регулирования и определения профилей безопасности. Протоколы затяжек должны как можно лучше передавать потребительское использование. Хотя существует только один принятый стандарт тестирования, основанный на рекомендуемом методе CORESTA (CRM) № 81, в большинстве исследований эмиссии по-прежнему используются произвольные параметры затяжек, обычно определяемые как небольшие произвольные вариации вокруг параметров CRM № 81. Параметры CRM № 81 менее подходят для устройств средней мощности (15–40 Вт) и совершенно не подходят для мощных сабомных устройств. К сожалению, существует множество исследований эмиссии, в которых сабомные устройства тестируются на высоких мощностях с расходом воздуха CRM № 81 (или с небольшими вариациями). Как мы покажем в следующей статье, эти исследования проводились в условиях явного перегрева, поэтому их заявленное высокое содержание токсичности совершенно ненадежно.

Первая часть
Вторая часть
Третья часть
Источник | robertosussman.substack.com
Фото | Image by diana.grytsku on Freepik