CN103628253A - 一种滤棒用功能化丝束的制备方法及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种滤棒用功能化丝束的制备方法及其应用，功能化丝束的制备方法是将聚合物原料溶于溶剂配成纺丝液后，置于储液装置中；调节静电纺丝电压后，将储液装置中的纺丝液通过微量泵连续供给储液装置相连的喷丝头；所述纺丝液通过喷丝头喷向连续移动的丝束表面形成纳米纤维膜，即得功能化丝束；该制备方法简单，可以连续工业化生产，制得的功能化丝束应用于制备有效降低卷烟主流烟气中焦油、亚硝胺和HCN释放量，且不影响卷烟吸食品质的卷烟滤棒。

Description

一种滤棒用功能化丝束的制备方法及其应用

技术领域

本发明涉及一种滤棒用功能化丝束的制备方法及其应用，属于烟草滤材应用领域。

背景技术

滤嘴做为吸烟者与主流烟气之间的桥梁，不仅能滤除烟气中的部分有害成分，而且在卷烟上接装滤嘴，可以有效截留卷烟主流烟气中的总粒相物，降低焦油含量，减少烟气对人体健康及环境的危害，是卷烟降焦减害技术中最直接和最直观的手段。目前，世界各国对烟用滤棒材料和滤棒结构的开发越来越重视，使用功能型滤棒将是今后烟草行业降焦减害的趋势。国内各烟草企业一般采用醋酸纤维或丙酸纤维的普通滤嘴，而具有选择性高、吸附性能好的功能丝束滤棒应用研究较少。

随着世界反烟运动的日益高涨和消费者对吸烟与健康问题关注的普遍增强，市场对卷烟的要求越来越高，烟草业面临的压力越来越大，尤其是近年来一些国家已要求标出或降低Hoffmann名单中所列的有害物质。如何使卷烟的焦油及其有害成分释放量降低，同时又保持卷烟吸味使消费者得到生理满足，是卷烟设计面临的最大挑战，目前普通的滤嘴尚不能满足这方面的要求。

静电纺丝是利用高压静电的拉伸使聚合物溶液或烧融液形成喷射细流并从喷丝孔喷射而形成聚合物纳米纤维过程。静电纺丝技术原理参见附图1，从喷头毛细孔中流出的纺丝液细流，在静电力作用下加速运动并分裂而形成细流簇，经溶剂蒸发或熔体冷却后而凝结或固化为微丝，以无纺布的形式沉积在接收装置上。纺丝液与高压直流发生器的正极相连，接收装置为负极并接地。

通过改变静电纺丝纳米纤维的组成，可以得到不同物理化学性质的纤维。这可以通过在纺丝液中添加多种组分来实现，每种所添加的组分可以使产品具有一种特定的理想性能；也可以通过从多种原料液纺丝，从而使含不同成分的纤维同时沉积形成敷料，形成的敷料也就包含了不同材料的纤维。静电纺纳米纤维具有特殊的结构与性能，如：形成的纤维重量轻、渗透性好、比表面积大、孔隙率高、内部空隙的连通性好、容易与纳米级的化学物质或功能性物质相结合等，使其过滤效率较之常规过滤材料大大提高。

发明内容

本发明的目的是在于提供滤棒用功能化丝束的制备方法，该制备方法简单，原料廉价，可连续化生产，制得的功能化丝束表面具有对烟气中的焦油、亚硝胺和HCN具有特殊的选择吸附性。

本发明的另一个目的是在于提供所述滤棒用功能化丝束的应用，将所述滤棒用功能化丝束应用于制备能有效降低卷烟主流烟气中焦油、亚硝胺和HCN，且不影响卷烟吸食品质的卷烟滤棒。

本发明提供了一种滤棒用功能化丝束的制备方法，该制备方法是将聚合物原料溶于溶剂配成纺丝液后，置于储液装置中；调节静电纺丝电压为15～30KV后，将储液装置中的纺丝液通过微量泵连续供给储液装置相连的喷丝头；所述纺丝液通过喷丝头以1.0～5.0mL/h的速度喷向距离喷丝头5～25cm，且连续移动的丝束基体表面形成纳米纤维膜，即得功能化丝束；

所述的储液装置相连有2～4组喷丝头，每组为3～5个喷丝头；

所述的聚合物原料与溶剂的质量比为5～15:95～85；

所述的聚合物原料为聚乙烯缩丁醛、醋酸纤维素、羟乙基纤维素、聚氨酯、聚脲、聚乙烯亚胺、明胶、聚羟基丁二酸戊酸酯、聚苯胺、聚对苯二甲酸苯二胺的一种或几种。

所述的溶剂根据聚合物原料的溶解性相应地选择能溶解聚合物原料所需的溶剂。

所述的溶剂包括乙醇、丙酮、水、甲酸、三氟乙醇、二氯甲烷、乙酸、三氟乙酸、四氢呋喃、二甲基甲酰胺、三乙醇胺中的一种或几种；所述的溶剂在制备静电纺丝纤维过程挥发，得到纳米纤维。

所述的纳米纤维膜中纳米纤维直径为500nm～3μm。

所述的丝束基体经过接收装置的速度为40～180m/min。

所述纳米纤维膜在丝束基体表面的喷覆量为丝束质量的1/500～1/100。

所述的丝束通过开松后置于接收装置作为接收基体；所述的丝束包括醋酸纤维丝束或丙纤丝束。

本发明还提供了所述的方法制得的功能化丝束的应用，该应用是将所述功能化丝束应用于制备降低卷烟主流烟气中焦油、亚硝胺和HCN释放量的卷烟滤棒。

所述电纺丝装置主要包括连有喷丝头的储液装置、高压电源和接收装置。

本发明的纺丝工艺过程：将丝束基材充分开松后、连续进入增塑剂施加装置前之间设置的静电纺丝室，静电纺丝装置原理如图1所示，纺丝液加入到静电纺丝装置的连有多组喷丝头的储液装置中，纺丝液与电源的正极相连，电源的负极与接收板相连，调节喷丝头与接收板之间的距离，打开高压电源，调节电源电压及纺丝液的推进速度，进行静电纺丝，开松后的丝束连续进入静电纺丝室经接收板接收静电纺纳米纤维，在丝束基体表面喷覆一层纳米纤维膜，得到功能化丝束。

本发明的有益效果：本发明首次通过静电纺丝技术将制得的纳米纤维均匀喷覆在丝束表面，获得的功能化丝束具有超薄且厚度均匀的纳米纤维膜，而纳米膜具有特殊的孔系结构，对烟气中的焦油、亚硝胺和HCN有选择性吸附效果，将喷覆了纳米纤维膜的功能化丝束用于制备滤棒，能不影响卷烟吸食品质的前提下，有效降低卷烟主流烟气中焦油、亚硝胺和HCN的释放量。本发明通过选择合适的聚合物原料及合适配比的纺丝液，再结合了本发明制备方法的工艺参数制备出来的纳米纤维直径一般均匀分布在500nm～3μm之间，且纳米纤维错综复杂喷覆在开松的丝束基体表面上构筑成厚度均匀，并具有一定孔隙的孔结构，研究发现这些孔结构对焦油、亚硝胺和HCN具有很好的物理吸附能力，同时采用的聚合物原料纺丝后能对烟气中焦油、亚硝胺和HCN产生很好的分子间作用力，大大增加了对烟气中的焦油、亚硝胺和HCN的选择性吸附能力，且对卷烟吸食品质无影响；本发明的制备方法简单，可以进行连续化工业生产。实验结果表明：与普通纤维滤棒对照样相比，本发明的功能化丝束制备的滤嘴可降低烟气焦油0.9～1.6mg/支，同时还可降低烟气有害成分亚硝胺29～36%，降低烟气有害成分HCN16～23%，卷烟感官质量评价结果表明对烟气内在吸食品质没有显著的负面影响。

附图说明

【图1】为本发明的静电纺丝装置图：1为电纺室；2为电纺喷头；3为连续前行的丝束；4为接收板；5为高压电源。

具体实施方式

以下实施例是对本发明的进一步说明，而不是限制本发明的保护范围。

实施例1

单独对聚乙烯缩丁醛（PVB）溶液进行纺丝。将聚乙烯缩丁醛（PVB）溶于乙醇制备成10%（W/W）的溶液，置于储料罐中，通过微量泵以每个泵5mL/h的速度分别向12个电纺喷头进行料液供给，电纺电压为25KV，喷头与纸基之间距离为15cm，每组电纺喷头为4个喷头，以连续行进的醋酸纤维丝束（速度为50m/min）为基体在线接收聚乙烯缩丁醛纳米纤维，在醋酸纤维丝束上喷覆一层直径约为500nm的白色纳米纤维，喷覆的纳米纤维膜与丝束质量比为1:100.在线喷覆改性后的醋酸丝束进入增塑剂施加装置然后进行滤棒成型。电纺室一端连续通入空气，另一端将混有溶剂的空气从电纺室排出后进行溶剂回收。功能滤棒然后在卷烟接装机上进行卷烟的卷接，设备操作正常。卷制的香烟进行烟气分析和有害成分分析，与普通醋酸纤维滤棒对照样相比，通过在线静电纺丝法在丝束上喷覆一层纳米纤维制备的功能丝束滤棒卷烟，可降低烟气焦油0.97mg/支，同时还可降低烟气有害成分亚硝胺29.69%，降低烟气有害成分HCN16.78%。卷烟感官质量评价结果表明对卷烟的内在吸食品质没有明显的负面影响。

实施例2

单独对醋酸纤维溶液进行纺丝。将醋酸纤维溶于丙酮制备成6%（V/V）的溶液，置于储料罐中，通过微量泵以每个泵3mL/h的速度分别向8个电纺喷头进行料液供给，电纺电压为20KV，喷头与纸基之间距离为18cm，每组电纺喷头为4个喷头。以连续行进的丙纤丝束（速度为100m/min）为基体在线接收醋酸纤维纳米纤维，在丙纤丝束上喷覆一层直径为900nm左右的白色纳米纤维，喷覆的纳米纤维膜与丝束质量比为1:300。在线喷覆改性后的丙纤丝束进入增塑剂施加装置然后进行滤棒成型。电纺室一端连续通入空气，另一端将混有溶剂的空气从电纺室排出后进行溶剂回收.，功能滤棒然后在卷烟接装机上进行卷烟的卷接，设备操作正常。卷制的香烟进行烟气分析和有害成分分析，与普通醋酸纤维滤棒对照样相比，通过在线静电纺丝法在丝束上喷覆一层纳米纤维制备的功能丝束滤棒卷烟，可降低烟气焦油1.5mg/支，同时还可降低烟气有害成分亚硝胺35.6%，降低烟气有害成分HCN20.58%，且对卷烟内在吸食品质没有明显的负面影响。

实施例3

对聚乙烯亚胺和明胶进行混合纺丝。将聚乙烯亚胺溶于乙醇制备成7%（V/V）的溶液，将明胶溶于三氟乙醇制备成10%（V/V）的溶液，以60：40质量比混合两种溶液，置于储料罐中，通过微量泵以每个泵3mL/h的速度分别向8个电纺喷头进行料液供给，电纺电压为25KV，喷头与纸基之间距离为15cm，每组电纺喷头为4个喷头。以连续行进的丙纤丝束（速度为80m/min）为基体在线接收聚乙烯亚胺和明胶的纳米纤维，在丙纤丝束上喷覆一层直径为3μm左右的白色纳米纤维，喷覆的纳米纤维膜与丝束质量比为1:200。在线喷覆改性后的丙纤丝束进入增塑剂施加装置然后进行滤棒成型。电纺室一端连续通入空气，另一端将混有溶剂的空气从电纺室排出后进行溶剂回收。功能滤棒然后在卷烟接装机上进行卷烟的卷接，设备操作正常。卷制的香烟进行烟气分析和有害成分分析，与普通醋酸纤维滤棒对照样相比，通过在线静电纺丝法在丝束上喷覆一层纳米纤维制备的功能丝束滤棒卷烟，可降低烟气焦油1.4mg/支，同时还可降低烟气有害成分亚硝胺35.6%，降低烟气有害成分HCN22.78%，且对卷烟烟气评析没有明显的负面影响。

实施例4

对聚氨酯进行纺丝。将四氢呋喃和二甲基甲酰胺以质量比1:1配成混合溶液，将聚氨酯溶于混合溶液中制备成10%（W/W）的纺丝液，置于储料罐中，通过微量泵以每个泵2mL/h的速度分别向4个电纺喷头进行料液供给，电纺电压为30KV，喷头与纸基之间距离为25cm，每组电纺喷头为4个喷头，以连续行进的醋纤丝束（速度为120m/min）为基体在线接收聚氨酯的纳米纤维，在醋纤丝束上喷覆一层直径约为1μm的白色纳米纤维，喷覆的纳米纤维膜与丝束质量比为1:400.在线喷覆改性后的醋纤丝束进入增塑剂施加装置然后进行滤棒成型。电纺室一端连续通入空气，另一端将混有溶剂的空气从电纺室排出后进行溶剂回收。，功能滤棒然后在卷烟接装机上进行卷烟的卷接，设备操作正常。卷制的香烟进行烟气分析和有害成分分析，与普通醋酸纤维滤棒对照样相比，通过在线静电纺丝法在丝束上喷覆一层纳米纤维制备的功能丝束滤棒卷烟，可降低烟气焦油1.6mg/支，同时还可降低烟气有害成分亚硝胺31.36%，降低烟气有害成分HCN18.98%，卷烟感官质量评价结果表明对烟气内在吸食品质没有显著的负面影响。

Claims (8)

1.一种滤棒用功能化丝束的制备方法，其特征在于，将聚合物原料溶于溶剂配成纺丝液后，置于储液装置中；调节静电纺丝电压为15～30KV后，将储液装置中的纺丝液通过微量泵连续供给储液装置相连的喷丝头；所述纺丝液通过喷丝头以1.0～5.0mL/h的速度喷向距离喷丝头5～25cm，且连续移动的丝束基体表面形成纳米纤维膜，即得功能化丝束；

所述的储液装置相连有2～4组喷丝头，每组为3～5个喷丝头；

所述的聚合物原料与溶剂的质量比为5～15:95～85；

所述的聚合物原料为聚乙烯缩丁醛、醋酸纤维素、羟乙基纤维素、聚氨酯、聚脲、聚乙烯亚胺、明胶、聚羟基丁二酸戊酸酯、聚苯胺、聚对苯二甲酸苯二胺的一种或几种。

2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的溶剂根据聚合物原料的溶解性相应地选择能溶解聚合物原料所需的溶剂。

3.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述的溶剂包括乙醇、丙酮、水、甲酸、三氟乙醇、二氯甲烷、乙酸、三氟乙酸、四氢呋喃、二甲基甲酰胺、三乙醇胺中的一种或几种。

4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的纳米纤维膜中纳米纤维直径为500nm～3μm。

5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的丝束基体经过接收装置的速度为40～180m/min。

6.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述纳米纤维膜在丝束基体表面的喷覆量为丝束质量的1/500～1/100。

7.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的丝束通过开松后置于接收装置作为接收基体。

8.权利要求1～7任意一项所述的方法制得的功能化丝束的应用，其特征在于，将所述功能化丝束应用于制备降低卷烟主流烟气中焦油、亚硝胺和HCN释放量的卷烟滤棒。