Die Verwendung von elektronischen Zigaretten (E-Zigaretten), auch bekannt als “Vaping”, hat besonders bei Jugendlichen stark an Popularität gewonnen [1]. E-Liquids enthalten in der Regel Propylenglykol (PG) oder Glycerin (GL) (oder eine Mischung aus beiden) als Nikotinlösungsmittel, sowie Nikotin, Wasser und Aromastoffe. E-Zigaretten bestehen im Allgemeinen aus denselben Grundkomponenten, einschließlich einer Batterie, einem Verdampfer (Heizspule) und einem E-Liquid-Behälter oder einer Kartusche, manchmal auch als “Clearomizer” oder “Cartomizer” bezeichnet. Die genauen Designmerkmale variieren jedoch stark bei den hunderten von kommerziell erhältlichen E-Zigarettenprodukten und ihren austauschbaren Komponenten [2, 3]. Leider gibt es oft keinen strengen Qualitätsstandard, keine Dokumentation der Designparameter und keine Gebrauchsanweisungen [4]. Im Jahr 2016 hat die US-amerikanische Food and Drug Administration (FDA) eine Regel erlassen, die ihre Regulierungsbefugnis auf alle elektronischen Nikotinabgabesysteme (ENDS), einschließlich E-Zigaretten, ausweitet. Die genauen zu regulierenden Designmerkmale wurden jedoch noch nicht festgelegt. Um effektive Richtlinien zu unterstützen, ist es wichtig, die Merkmale unterschiedlicher Produktgestaltungen und ihre potenziellen Auswirkungen auf die Emission von giftigen Chemikalien genau zu untersuchen.
Die Heizspulentemperatur ist ein wichtiger Entwurfs- und Betriebsparameter, der sowohl die Menge und Zusammensetzung des aus den E-Zigaretten ausgestoßenen Aerosols als auch die sensorische Qualität für die Benutzer beeinflusst [5-7]. Ein besorgniserregender Aspekt in Bezug auf die Heiztemperatur, insbesondere Überhitzung, ist die erhöhte Belastung durch toxische Carbonylverbindungen (Formaldehyd, Acetaldehyd, Acrolein usw.) aufgrund der thermischen Zersetzung der E-Liquids um die erhitzte Spule während des Vapens [6-8]. Dies kann insbesondere bei E-Zigaretten mit einem “Top-Coil” Clearomizer ein wichtiges Anliegen sein, da sich die Heizspule in der Nähe des Mundstücks befindet und häufig lange Dochte verwendet werden, um das E-Liquid zur Spule zu bringen. Kürzlich durchgeführte Studien haben hohe Emissionen toxischer Carbonylverbindungen bei diesem Design gezeigt (siehe Abbildung S1 und Tabelle S1 im Anhang für eine Zusammenfassung der Formaldehydemissionsrate im Verhältnis zur angelegten Leistung) [9-13]. In diesen Studien wurde eine Mischung aus Propylenglykol und Glycerin (PG/GL), mit oder ohne Nikotin und Wasser, als Test-E-Liquid verwendet und eine angemessene Flüssigkeitsmenge eingesetzt. Die Ergebnisse dieser Studien waren inkonsistent und zeigten eine Unterschiede von etwa fünf Größenordnungen in Bezug auf die Formaldehydbildung, von unterhalb der Nachweisgrenze bis zu 97 μg/Puff. Diese Ergebnisse haben eine breite Debatte über die Bedingungen für die sichere Verwendung dieses Produktdesigns ausgelöst. Es wird allgemein anerkannt, dass eine höhere Spannung oder Leistung zu einer höheren Spulentemperatur und damit zu höheren Carbonylbildungsraten führen würde. Allerdings wurde sogar bei der niedrigsten angelegten Leistung in einer Studie eine sehr hohe Formaldehydbildungsrate festgestellt [13]. Da die Spulentemperaturen in diesen Studien nicht berichtet wurden, sind weitere Forschungsarbeiten erforderlich, um die kausalen Faktoren zu identifizieren, die die Heizspulentemperatur beeinflussen, und um die Beziehung zwischen angelegter Leistung und Heiztemperatur unter verschiedenen Spulenbedingungen zu bestimmen.
Eine Vielzahl von Faktoren, wie das Spulenmaterial und der Widerstand, die Batteriespannung, das Verdampfer-/Dochten-Design, die Zusammensetzung des E-Liquids und der Füllstand sowie das Vaping-Verhalten (Paff-Zeit, Intervall oder Menge) können die Betriebstemperatur von E-Zigaretten beeinflussen. Bisher wurden nur begrenzte Studien zur quantitativen und direkten Temperaturmessung an oder in der Nähe der Heizspulen durchgeführt. Diese Studien berichten von einem breiten Temperaturbereich von 40 bis 950°C, abhängig von der Messstelle, der Messmethode, den Testbedingungen und dem Typ der verwendeten E-Zigarette (siehe Tabelle S2 im Anhang für weitere Details) [6, 14-19]. In diesen Studien wurden zwei Messmethoden verwendet. Ein Thermoelement ist eine kostengünstige und praktische Methode zur Messung der Temperatur an einer bestimmten Stelle. Zum Beispiel haben Zhao et al. [17] gezeigt, dass es möglich ist, eine Thermoelementsonde in die Kartusche einer E-Zigarette von der Endöffnung her einzuführen und die Heizspule (und/oder den Docht) zu kontaktieren, um so die Betriebstemperatur der Spule zu messen und gleichzeitig Aerosolemmissionen zu samplen. Obwohl dies praktisch ist, kann eine Thermoelementmessung keine Informationen über die räumliche Temperaturverteilung über eine Heizspule zu einem bestimmten Zeitpunkt liefern. Eine Infrarotkamera (auch Thermografiekamera genannt) wurde ebenfalls verwendet, jedoch oft ohne Zugabe von Paffströmung, um die Spule für die Kamera freizulegen. Derzeit wurde kein standardisiertes Testverfahren für die Messung der Heizspulentemperatur entwickelt.
Das Ziel dieser Studie war es, den Effekt der angelegten Leistungseinstellungen, der Feuchtigkeitsbedingungen der Spule und der E-Liquid-Zusammensetzungen auf die Heizspulentemperatur für E-Zigaretten mit einem “Top-Coil” Clearomizer zu bestimmen und Zusammenhänge zwischen Spulenbedingungen und der Emission von toxischen Carbonylverbindungen durch die Kombination der Ergebnisse in dieser Arbeit mit der Literatur herzustellen.
