CN108371345B - 一种纳米纤维复合材料及其用途 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种纳米纤维复合材料，所述纳米纤维复合材料包括依次叠合的第一聚合物纳米纤维层、吸附层、第二聚合物纳米纤维层、衬底层，所述第一聚合物纳米纤维层和第二聚合物纳米纤维层通过对油溶性聚合物静电纺丝得到，相较于传统香烟滤嘴来说，以本发明制备的纳米纤维复合材料为主要成分制备的香烟滤嘴对于烟草中的颗粒物、焦油和一氧化碳组分具有更强的选择性吸附能力，过滤效果较传统过滤嘴分别提高了8.2％、9.3％和9.4％，而且，对于烟草中的烟碱成分具有选择性透过的作用，与对照组的滤嘴相比可以多透过0.11mg/支的烟碱，从而使得香烟的有效成分和香味成分得以保留，提高吸烟者的满足感，进而降低烟草消耗和致癌性更强的成分的摄入。

Description

一种纳米纤维复合材料及其用途

技术领域

本发明复合材料领域，尤其涉及一种具有选择吸附能力的纳米纤维复合材料及其用途。

背景技术

吸烟对人类的健康有相当严重的危害，许多疾病都与吸烟有直接的关联，然而对于那些不能戒烟的人来说，香烟是必不可少的生活必需品，香烟内的化学物质主要是干烟草，但是，大部分的香烟成份中并不仅有烟草，生产商为了控制烟丝的香味和质量，通常在香烟内加入大量不同的添加剂，导致香烟在点燃时产生的烟雾中含有约7000种化学物质，包括分子量最低的一氧化碳到最高的焦油等，其中的大部分为有毒和致癌的化合物，需要通过吸附作用分离除去。

目前，市面上常见的香烟一端均含有用醋酸纤维素或棉花制成的滤嘴和活性炭吸附层，用于吸附和过滤烟草燃烧产生的焦油、一氧化碳、亚硝胺、苯并芘等致癌化合物，例如，CN106805292A中公开了一种含有活性炭的香烟过滤嘴，由靠近唇部的醋酸纤维部分和靠近烟体的活性炭部分组成，能有效吸附去除烟雾中CO等有害气体，减少焦油和尼古丁吸入量，CN106805291A中公开了一种具有清除自由基效果的香烟过滤嘴，由两部分过滤介质交替组成，其中一部分过滤介质为醋酸纤维，另一部分过滤介质为活性炭和番茄红素的混合物，与单纯的醋酸纤维滤嘴相比，其中的抗氧化剂番茄红素能有效清除烟草燃烧后产生的气相有害自由基，其中的活性炭成分能够吸附烟雾中的CO等有毒气体，交替存在的过滤介质能达到多次过滤的目的，从而降低烟草对人体的伤害，上述现有技术中公开的过滤嘴均能有效吸附烟草中的有害成分，但是，由于香烟中相应的有效作用成分如尼古丁、茶粉、柠檬醛、高级脂肪酯等也一并被除去，导致香烟特有的香味和风味消失，使得吸烟者不能获得相应的满足感，从而吸得更深更多，反而吸入总量更多的有害物质，造成更大的危害。

因此，在现有技术的基础上，本领域的技术人员需要制备一种由具有选择吸附能力的材料制备的香烟滤嘴，使得在保持香烟特有风味的基础上，尽可能的降低烟气中有害物质的含量，使得人们能够尽可能的少抽烟，减少香烟对人体的危害。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种纳米纤维复合材料，所述纳米纤维复合材料包括依次叠合的第一聚合物纳米纤维层、吸附层、第二聚合物纳米纤维层、衬底层。

所述第一聚合物纳米纤维层和第二聚合物纳米纤维层通过对油溶性聚合物静电纺丝得到。

所述吸附层中含有吸附材料，具有吸附能力。

所述油溶性聚合物为不溶于水，易溶于有机溶剂的聚合物。

本发明通过在纳米纤维复合材料中设置上述第一聚合物纳米纤维层、吸附层、第二聚合物纳米纤维层和衬底层，将吸附层置于两层聚合物纳米纤维层中间，通过聚合物纳米纤维层过滤粒径较大的颗粒，防止大颗粒进入吸附层，堵塞吸附层中的吸附材料，同时也能够避免吸附层中的吸附材料进入环境中，防止粒径较小的吸附材料对生物体，如人体的呼吸系统造成伤害。

本发明通过将油溶性聚合物进行静电纺丝，得到的第一聚合物纳米纤维层和第二聚合物纳米纤维层具有较强的吸附选择性，能够吸附油溶性的大分子量的化合物，透过水溶性的分子量较小的化合物，而且，聚合物纳米纤维层和吸附层之间具有协同效应，聚合物纳米纤维层能够对油溶性的特定化合物进行预先的选择性吸附，同时阻拦粒径较大的颗粒，防止吸附层中的吸附材料内部的微孔被堵塞或过早达到饱和吸附，降低其对于有毒小分子气体的吸附能力。

聚合物纳米纤维层的厚度应尽量较小，在满足吸附选择性的同时提高气体的透过率，降低气阻，优选地，所述第一聚合物纳米纤维层和第二聚合物纳米纤维层的厚度≤5μm，例如为0.11μm、0.5μm、0.8μm、1.5μm、2.5μm、3.5μm、4.5μm、4.9μm等，进一步优选为1～5μm。

优选地，所述第一聚合物纳米纤维层和第二聚合物纳米纤维层为多孔结构，平均孔径为0.3～0.5μm，例如0.32μm、0.35μm、0.40μm、0.44μm、0.48μm等，选择合适的孔径能够增强聚合物纳米纤维层的选择吸附能力，例如，平均孔径为0.35μm的聚合物纳米纤维层对于油溶性的大分子如焦油等吸附过滤能力很强，保证尼古丁等水溶性小分子能够透过，同时还能避免粒径较大的颗粒进入吸附层。

优选地，所述第一聚合物纳米纤维层和第二聚合物纳米纤维层的孔隙率为75～85％，例如76％、78％、80％、82％、84％等，对于制备孔隙率较高的聚合物纳米纤维层，使用静电纺丝法效果较优。

优选地，所述吸附层的厚度为10～20μm，例如11μm、13μm、15μm、17μm、19μm等。

优选地，所述第一聚合物纳米纤维层和第二聚合物纳米纤维层中的聚合物纳米纤维的直径为100～300nm，例如120nm、140nm、180nm、200nm、220nm、240nm、260nm、280nm、290nm等，进一步优选为150～200nm，纳米纤维的直径较小有利于增大比表面积，提高吸附效率。

优选地，所述油溶性聚合物为聚丙烯腈、聚偏氟乙烯、聚酰亚胺中的任意一种或至少两种的混合物。

优选地，所述吸附层中包含有粒径为1～50μm(例如为2μm、4μm、8μm、15μm、20μm、30μm、35μm、40μm、45μm、48μm等)的吸附材料。

优选地，所述吸附材料包括活性炭、碳纳米管、硅胶、沸石中的任意一种或至少两种的混合物。

优选地，所述衬底层为以聚酯、聚酰胺、聚氨酯、聚醚、聚酰亚胺中的任意一种或至少两种聚合物组成的无纺布。

优选地，所述衬底层的克重为25～40g/m²，例如为26g/m²、28g/m²、30g/m²、32g/m²、34g/m²、36g/m²、38g/m²等。

优选地，所述衬底层的孔隙率为20～60％，例如为21％、24％、28％、33％、38％、43％、46％、52％、56％、59％等。

本发明的目的之二在于提供一种所述的纳米纤维复合材料的用途，所述纳米纤维复合材料中的聚合物纳米纤维层能够过滤较大尺寸的如焦油、炭黑等的颗粒，对于亲油性的分子量较大的化合物蒸汽、烟雾如苯并芘、蒽醌、亚硝酸胺等具有较强的吸附能力，对于亲水性的分子量适中的化合物蒸汽具有选择性透过的作用，其中的吸附层能够吸附小分子气体如一氧化碳、二氧化硫、二氧化氮等，故本发明所述的纳米纤维复合材料可以用于吸附过滤烟雾中的颗粒和有毒气体。

优选地，所述颗粒为焦油颗粒。

优选地，所述有毒气体为一氧化碳、二氧化硫、亚硝酸胺气体中的任意一种或至少两种的混合物。

本发明的目的之三在于提供一种香烟过滤嘴，所述香烟过滤嘴中包含有上述纳米纤维复合材料。

优选地，所述香烟过滤嘴由靠近烟草端的纳米纤维复合材料段和靠近嘴端的醋酸纤维过滤段组成。

优选地，所述香烟过滤嘴通过将至少一层所述纳米纤维复合材料经过冲压裁剪得到。

优选地，所述香烟过滤嘴通过将所述纳米纤维复合材料卷绕成实心圆柱体得到。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

相较于传统的以醋酸纤维素纤维为主要成分的香烟滤嘴来说，以本发明所制备的纳米纤维复合材料为主要成分制备的香烟滤嘴对于烟草中的颗粒物、焦油和一氧化碳组分具有更强的选择性吸附能力，过滤效果较对照组最高分别提高了8.2％、9.3％和9.4％，而且，对于烟草中的烟碱成分具有选择性透过的作用，与对照组的滤嘴相比最多可以多透过0.11mg/支的烟碱，使得香烟的有效成分和香味成分得以保留，提高吸烟者的满足感，进而降低烟草消耗和致癌性更强的成分的摄入。

具体实施方式

下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。

本发明中各实施例中均通过静电纺丝法沉积聚合物纳米纤维层，所述静电纺丝沉积聚合物纳米纤维层的工艺参数为：电压为15～45kV、针头直径为0.25～0.75mm、进料速度为10～40μL/min，在静电纺丝工艺中，聚合物溶液通过针头喷出，在静电力的作用下形成纳米纤维，沉积在衬底层表面，改变静电纺丝的工艺参数可以改变形成的聚合物纳米纤维层的厚度、平均孔径、孔隙率以及其中的聚合物纳米纤维的直径。

实施例1

通过如下步骤制备纳米纤维复合材料1：

步骤(1)，取克重为25g/m²、孔隙率为60％的聚对苯二甲酸乙二醇无纺布作为衬底层，将衬底层平铺，使用静电纺丝设备在衬底层上通过静电纺丝沉积聚丙烯腈纤维，得到厚度为5μm的第二聚合物纳米纤维层；

步骤(2)，在第二聚合物纳米纤维层表面均匀涂布一层由厚度为20μm，粒径为46μm的活性炭微粒组成的吸附层；

步骤(3)，使用与步骤(1)中相同的静电纺丝设备在吸附层表面静电纺丝沉积聚丙烯腈纤维，得到厚度为5μm的第一聚合物纳米纤维层；

步骤(1)～(3)中得到的各层之间通过聚合物的粘性粘结，通过第一和第二聚合物纳米纤维层将吸附层包覆，形成类似三明治的结构，即得到所述纳米纤维复合材料1。

实施例1中得到的纳米纤维复合材料中第一聚合物纳米纤维层和第二聚合物纳米纤维层的孔隙率分别为85％和80％、平均孔径分别为0.5μm和0.4μm，其中的聚丙烯腈纳米纤维的直径均为180nm。

实施例2

通过如下步骤制备纳米纤维复合材料2：

与实施例1的区别仅在于，步骤(1)中选用克重为40g/m²、孔隙率为20％聚酰亚胺布料作为衬底层。

实施例2得到纳米纤维复合材料2。

实施例3

通过如下步骤制备纳米纤维复合材料3：

与实施例1的区别仅在于，步骤(2)中选用粒径为1μm的碳纳米管涂布作为吸附层，吸附层的厚度为10μm。

实施例3得到纳米纤维复合材料3。

实施例4

通过如下步骤制备纳米纤维复合材料4：

与实施例1的区别仅在于，通过改变静电纺丝的工艺参数，得到的纳米纤维复合材料中第一聚合物纳米纤维层和第二聚合物纳米纤维层的孔隙率分别为85％和75％、平均孔径分别为0.5μm和0.3μm，其中第一聚合物纳米纤维层中聚丙烯腈纳米纤维的直径为200nm，第二聚合物纳米纤维层中聚丙烯腈纳米纤维的直径为150nm。

实施例4得到纳米纤维复合材料4。

实施例5

通过如下步骤制备纳米纤维复合材料5：

与实施例1的区别仅在于，步骤(3)中所述的第一聚合物纳米纤维层不通过静电纺丝沉积聚丙烯腈纤维，而是通过静电纺丝沉积聚酰亚胺纤维得到，所述第一聚合物纳米纤维层的厚度为1～1.2μm，孔隙率为82％，平均孔径0.3μm，其中的聚合物纳米纤维的直径为120nm。

实施例5得到纳米纤维复合材料5。

实施例6

通过如下步骤制备纳米纤维复合材料6：

与实施例1的区别仅在于，通过改变静电纺丝的工艺参数，得到的纳米纤维复合材料中第一聚合物纳米纤维层和第二聚合物纳米纤维层的孔隙率分别为70％和45％、平均孔径分别为0.4μm和0.16μm，其中第一聚合物纳米纤维层中聚丙烯腈纳米纤维的直径为250nm，第二聚合物纳米纤维层中聚丙烯腈纳米纤维的直径为90nm。

实施例6得到纳米纤维复合材料6。

对照例1

通过如下步骤制备纳米纤维复合材料7：

与实施例1的区别仅在于，步骤(1)和步骤(3)中选用静电纺丝沉积聚乙烯醇纤维代替聚丙烯腈纤维，通过控制静电纺丝的工艺参数，使得得到纳米纤维复合材料中第一聚合物纳米纤维层和第二聚合物纳米纤维层的厚度、孔隙率、平均孔径以及其中的聚合物纳米纤维的直径与实施例1相同。

对照例1得到纳米纤维复合材料7。

对照例2

通过如下步骤制备纳米纤维复合材料8：

取克重为25g/m²、孔隙率为60％的聚对苯二甲酸乙二醇作为衬底层，将衬底层平铺，使用型静电纺丝设备在衬底层上通过静电纺丝沉积混有活性炭微粒的聚丙烯腈纤维，得到厚度为30μm、孔隙率为28％、平均孔径为26μm、聚丙烯腈纤维的粒径为1200nm的聚合物纳米纤维层。

其中，所述混有活性炭微粒的聚丙烯腈纤维通过将粒径为46μm的活性炭微粒与聚丙烯腈纤维均匀混合，经静电纺丝得到。

对照例1得到纳米纤维复合材料8。

分别取200层上述实施例中得到的纳米纤维复合材料1～8，同方向叠合、冲压制成长度为10mm、直径为7.7mm的复合过滤段，作为过滤嘴1～8，另外取一层上述实施例中得到的纳米纤维复合材料1，卷绕成长度为10mm、直径为7.7mm的复合过滤段，作为滤嘴9，滤嘴1～9固定在除去过滤嘴的香烟一端，其中滤嘴1～8的第一聚合物纳米纤维层一端接触烟草部分，另一端连接吸烟机，滤嘴9的任意一端连接香烟，另一端连接吸烟机，使用自带有长度为10mm、直径为7.7mm的醋酸纤维素纤维过滤嘴的香烟作为对照组，除去自带过滤嘴的香烟作为空白组，通过如下测试方法测试其对于香烟烟气的过滤能力，将结果列入表1。

(1)焦油和总颗粒物过滤测试

通过国家标准GB/T 19609-2004《卷烟用常规分析用吸烟机测定总粒相物和焦油》中所述的方法测试滤嘴1～9和对照组对香烟中颗粒物和焦油的过滤能力，以空白组的测试结果作为香烟中颗粒物和焦油含量的参考值。

(2)一氧化碳过滤测试

通过国家标准GB/T 23356-2009《卷烟烟气气相中一氧化碳的测定非散射红外法》中所述的方法测试滤嘴1～9和对照组对香烟中一氧化碳的过滤能力，以空白组的测试结果作为香烟中一氧化碳含量的参考值。

(3)烟碱(尼古丁)过滤测试

通过国家标准GB/T 23355-2009《卷烟总粒相物中烟碱的测定气相色谱法标准》中所述的方法测试滤嘴1～9和对照组对香烟中烟碱的过滤能力，以空白组的测试结果作为香烟中烟碱含量的参考值。

表1滤嘴1～9对香烟中各组成分过滤能力对比表

从表1中可以看出，相较于传统的以醋酸纤维素纤维为主要成分的香烟滤嘴来说，以本发明所制备的纳米纤维复合材料为主要成分制备的香烟滤嘴对于烟草中的颗粒物、焦油和一氧化碳组分具有更强的选择性吸附能力，过滤效果较对照组最高分别提高了8.2％、9.3％和9.4％，而且，对于烟草中的烟碱成分具有选择性透过的作用，与对照组的滤嘴相比最多可以多透过0.11mg/支的烟碱，使得香烟的有效成分和香味成分得以保留，提高吸烟者的满足感，进而降低烟草消耗和致癌性更强的成分的摄入。

申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的工艺方法，但本发明并不局限于上述工艺步骤，即不意味着本发明必须依赖上述工艺步骤才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明所选用原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (12)

1.一种用于吸附过滤烟雾中的颗粒和有毒气体、选择性透过烟碱的纳米纤维复合材料，其特征在于，所述纳米纤维复合材料包括依次叠合的第一聚合物纳米纤维层、吸附层、第二聚合物纳米纤维层、衬底层；

所述第一聚合物纳米纤维层和第二聚合物纳米纤维层通过对油溶性聚合物静电纺丝得到；所述第一聚合物纳米纤维层和第二聚合物纳米纤维层为多孔结构，平均孔径为0.3～0.5μm，厚度≤5μm；

所述第一聚合物纳米纤维层和第二聚合物纳米纤维层中的聚合物纳米纤维的直径为150～200nm；

所述吸附层包含有粒径为1～50μm的吸附材料，所述吸附材料包括活性炭、碳纳米管、硅胶、沸石中的任意一种或至少两种的混合物，所述吸附层的厚度为10～20μm；

所述颗粒为焦油颗粒；

所述有毒气体为一氧化碳、二氧化硫、亚硝酸胺中的任意一种或至少两种的混合物。

2.根据权利要求1所述的纳米纤维复合材料，其特征在于，所述第一聚合物纳米纤维层和第二聚合物纳米纤维层的厚度为1～5μm。

3.根据权利要求1所述的纳米纤维复合材料，其特征在于，所述第一聚合物纳米纤维层和第二聚合物纳米纤维层的孔隙率为75～85％。

4.根据权利要求1所述的纳米纤维复合材料，其特征在于，所述油溶性聚合物为聚丙烯腈、聚偏氟乙烯、聚酰亚胺中的任意一种或至少两种的混合物。

5.根据权利要求1所述的纳米纤维复合材料，其特征在于，所述衬底层为以聚酯、聚酰胺、聚氨酯、聚醚、聚酰亚胺中的任意一种或至少两种聚合物组成的无纺布。

6.根据权利要求1所述的纳米纤维复合材料，其特征在于，所述衬底层的克重为25～40g/m²。

7.根据权利要求1所述的纳米纤维复合材料，其特征在于，所述衬底层的孔隙率为20～60％。

8.一种如权利要求1～7之一所述的纳米纤维复合材料的用途，其特征在于，所述纳米纤维复合材料用于吸附过滤烟雾中的颗粒和有毒气体，选择性透过烟碱成分；

所述颗粒为焦油颗粒；

所述有毒气体为一氧化碳、二氧化硫、亚硝酸胺中的任意一种或至少两种的混合物。

9.一种香烟过滤嘴，其特征在于，所述香烟过滤嘴中包含有权利要求1～7之一所述的纳米纤维复合材料。

10.根据权利要求9所述的香烟过滤嘴，其特征在于，所述香烟过滤嘴由靠近烟草端的纳米纤维复合材料段和靠近嘴端的醋酸纤维过滤段组成。

11.根据权利要求9所述的香烟过滤嘴，其特征在于，所述香烟过滤嘴通过将至少一层所述纳米纤维复合材料经过冲压裁剪得到。

12.根据权利要求9所述的香烟过滤嘴，其特征在于，所述香烟过滤嘴通过将所述纳米纤维复合材料卷绕成实心圆柱体得到。