CN102134758A - 一种改性烟用丝束制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种共混改性聚乳酸烟用丝束制备方法。将纤维级聚丙烯粒子、功能性母粒和聚乳酸粒子按一定比例混合均匀，经过纺丝-上油-牵伸-卷曲-烘干几道工序制备聚乳酸烟用丝束，该方法工艺简单，高速成型，生产产品降低聚乳酸纤维的比重，增加其使用性能，增大纤维的表面积，对烟气中的粒相颗粒能有效地吸附，产生了很好的过滤效果。
Description
技术领域
本发明涉及一种共混改性聚乳酸烟用丝束的制备方法。
技术背景
目前市场常规的香烟过滤嘴材料是醋纤和聚丙烯纤维，醋纤因其优异性能是现今使用量最大的烟用过滤材料，醋纤含有大量的酰基、醚基等极性官能团，吸水性和化学吸附性能优良，在过滤嘴成型上，使用三醋酸甘油脂进行塑化和粘合，丝束内部形成立体的网状结构，纤维异形度和比表面积增大，粘接牢度高且粘接稳定，使醋纤具有优异的物理吸附性能。聚丙烯纤维香烟滤材料经过多年的发展，尤其是在水溶性胶粘剂上突破，过滤性能和吸味已得到巨大改善，但由于其本身的非极性结构和高度的化学稳定性，溶剂在其表面难以扩散，导致滤嘴内部的物理结构无法与醋纤相比拟的，滤棒的粘接效果和吸附性能也与醋纤有一定差距，但是醋纤因原材料是木质纤维素，原材料紧缺，中国目前还大量依赖进口，同时生产工艺也较复杂，生产过程对环境造成污染，醋纤一般需要30年才能降解。
为减少对环境的破坏，以及为了摆脱对日趋枯竭的石油资源的依赖，大力开发环境友好的可生物分解的聚合物，替代石油基塑料产品，因此我们研究和开发一种聚乳酸烟用材料，聚乳酸是以乳酸为主要原料聚合得到的聚合物，原料来源充分而且可以再生。聚乳酸的生产过程无污染，而且产品可以生物降解，实现在自然界中的循环，因此是理想的绿色高分子材料其性能优良，市场前景十分看好。
聚乳酸纤维作为香烟过滤嘴，有五个显著的特点：1、它来源于一年生植物，比木材价廉易得，成本低；2、完全生物降解，是不折不扣的“绿色”产品；3、采用熔体纺丝工艺制造丝束，加工成本低，环境污染少；4、极性的分子结构决定了它对烟气中的有害成分有吸附和清除能力；5、分子极性使得具有优异的吸水性和表面扩散性能，滤棒使用水溶性胶粘剂进行粘接其性能大大由于聚丙烯纤维滤嘴，所以，聚乳酸过滤嘴的使用，将会给香烟滤材行业带来重大的变革。
在专利号：《200710055310的一种聚乳酸烟用滤棒》中的常规熔融纺丝纤维在丝束工艺和滤棒工艺上存在的众多无法解决的问题，在丝束的生产和滤棒的成型上还需要进一步的改进，其中有以下不足之处：1、资料表明，聚乳酸纤维在高温下力学性能特别差，聚乳酸纤维在温度一旦超过其玻璃化转变温度60℃(Tg)时就迅速软化，在90℃时可成流动状态，尺寸稳定性大大降低，在烟用丝束生产过程中，需要经过纺丝-上油-牵伸-卷曲-烘干几道工序，丝束在卷曲前要进入蒸汽烘箱补温、软化，以提高卷曲性能，这样进入卷曲室的温度就达到100℃左右，又由于在卷曲轮的压力、摩擦等剪切作用下聚乳酸纤维变“糊”，难以卷曲；2、卷曲后的丝束需要经过烘箱烘干，批量生产过程中，烘箱温度必须在100℃以上，以便快速烘干，丝束表面温度更高(高达110～130℃)，在这样高温下烘干造成聚乳酸纤维产生形变和力学不稳定现象。这种高温不稳定现象对粘合成棒也造成很大影响，由于聚乳酸纤维本身具有大量极性基团，吸水性和溶剂表面扩散性能比聚丙烯优良，聚乳酸纤维化学稳定性高，在常态下无比较安全实用的增塑剂，为此我们结合水溶性胶粘剂的优良性能，使用其进行粘合，，成棒后需要经过烘箱烘干其中的水分才能达到使用要求，其烘干水分的温度超过100℃，高温对滤棒的外观及尺寸稳定下造成非常大的后果，滤棒变形、起皱，爆口和散花。
同时在滤棒成型过程中，由于聚乳酸纤维的比重大，且无像三醋酸甘油脂这样的增塑剂，因此为满足滤棒吸阻及硬度的要求，必须保证填充比丙纤和醋纤量多的丝束才能满足吸阻等要求，以及造成丝束的出棒率要低于其他材料，经测试同等规格的聚乳酸嘴棒比其他材料制作的嘴棒单支重0.1-0.3g/支，例如吸阻3800、长度120cm、圆周24.0mm的聚乳酸嘴棒克重要比同规格的醋纤、聚丙烯嘴棒重1.5-2.5g/10支；聚乳酸纤维比重大在成棒中带来的问题：1、在YL-21/23成型机上成棒时，克重大，很难开松完全，造成施胶不均，并且开松不好会造成吸阻波动大；2、出棒率要远远低于丙纤和醋纤；3、单棒克重的增加，包装、运输成本也会增大，降低经济效率，运用及推广的阻力将非常大。
发明内容
本发明的目的旨在提供一种工艺要求低的烟用改性聚乳酸纤维，以解决现有技术条件下制备工艺高，纤维高温条件下力学性能差，比重大，嘴棒成型难等缺点及不足之处，这种改性聚乳酸纤维是通过聚乳酸加聚丙烯共混熔融纺丝来实现的。
本发明提供该改性纤维的制备方法，该制备方法的步骤如下：
(1)将纤维级聚丙烯粒子、功能性母粒和聚乳酸粒子混合，搅拌均匀，重量组分比例分别为：功能性母粒：不超过5％；聚乳酸：不超过10％；其余为纤维级聚丙烯粒子；
(2)将混合的粒子经过螺杆挤出机挤出纺丝熔体，进行纺丝，纺丝喷丝板孔数为5500～11500孔；
(3)将纺丝后的纺丝熔体冷却成型，并在卷绕装置的作用下，进行初步拉伸和表面上油，得到丝束；
(4)将丝束经过慢牵辊、水浴槽、快牵辊进行再次牵伸，牵伸倍数为初步拉伸后的2～4倍，水浴温度控制在50～70℃，丝束牵伸速度不大于300m/min；
(5)牵伸后的丝束，经蒸汽烘箱后进入卷曲机进行卷曲热定型，蒸汽箱温度为60～90℃，卷曲度为20～30个/25mm；
(6)热定型后的丝束进入烘箱烘干，铺丝，平衡稳定，烘箱温度控制在80～120℃。
所述功能性母粒为分子量调节母粒、纤维强度调节母粒和增白母粒按照重量组分比为2∶1∶2混合。
所述纤维级聚丙烯粒子粘均分子量18万～20万，分子量分布小于6。
所述聚乳酸粒子的重均分子量Mw在80000～160000。
所述螺杆挤出机中纺丝熔融温度为170～240℃。
本发明采用聚合物共混改性熔融纺丝，聚丙烯分子量分布系数小于6，控制适当的分子量是以满足两者能混纺的要求。聚乳酸、聚丙烯纺丝工艺简单，两者大致相同，在170-240℃纺丝温度下，进行熔融纺丝；聚丙烯的比重小，与聚乳酸共混纺出的纤维比重适中，可以通过改变聚丙烯的添加比例能很好的调节其共混纤维的比重，比较方便制备出所多种比重纤维；聚丙烯分子添加功能性粒子在熔融纺丝时，可以改善熔体流动性能，功能性母粒的流动性能和拉伸性能与聚乳酸纤维有差异性，通过牵伸作用，熔体在纺丝、拉伸过程中产生分离，在丝束表面及内部形成大量极小的微孔、孔洞和裂缝沟槽，大大增大纤维的表面积，对烟气中的粒相颗粒能有效地吸附，产生了很好的过滤效果。
发明优点：
1、此制备方法采用聚丙烯与聚乳酸共混熔融纺丝成型，聚丙烯纺丝进行工艺与聚乳酸相近，此方法具有工艺简单，一步法高速成型。
2、聚丙烯比重约0.9-0.92g/cm3，比重轻，是目前化学纤维中最轻的，与聚乳酸共混熔融纺丝，纤维中含聚乳酸和聚丙烯分子，聚丙烯分子可以降低聚乳酸分子之间作用力等，起很好的增塑作用，对卷曲定型有很好的作用；且单位体积内共混纤维的比重界于聚丙烯和聚乳酸纤维之间，降低聚乳酸纤维的比重，增加其使用性能。
3、添加的聚丙烯粒子和功能性母粒其熔体流动性能和拉伸性能与聚乳酸纤维存在差异，通过牵伸作用，在丝束表面及内部形成大量极小的微孔、孔洞和裂缝沟槽，增大纤维的表面积，对烟气中的粒相颗粒能有效地吸附，产生了很好的过滤效果。
4、通过共混熔融纺丝，改性纤维的高温力学稳定性增强，丝束卷曲及热定性效果大大改善，滤棒烘干后外观及其他内在指标也很好地满足要求。
5、使用三种纤维制作吸阻平均值3600的滤棒，分别对其进行烟气分析，吸附效果如下图所示：
PP和PLA共混的纤维在相同吸阻条件下，重量较轻，且其吸附性能明显优于单种PLA纤维制成的滤棒。
附图说明
图1是本发明实例提供的纤维的截面形状图(显微镜图)。
具体实施方式
本发明实施例是对本发明的说明而不能限制本发明，在与本发明相当的含义和范围内的任何改变和调整，都应认为是在本发明的范围内。
实施例1
将纤维级聚丙烯粒子、功能性母粒和聚乳酸粒子混合，搅拌均匀，其中组分比例分别为：功能性母粒：不超过5％；聚乳酸：不超过10％；其余为纤维级聚丙烯粒子；纤维级聚丙烯粒子粘均分子量18万～20万，分子量分布小于6。所述功能性母粒为分子量调节母粒、纤维强度调节母粒和增白母粒按照重量组分比为2∶1∶2混合。聚乳酸粒子的重均分子量Mw在80000～160000。将混合的粒子经过螺杆挤出机挤出纺丝熔体，螺杆挤出机中纺丝熔融温度为170～240℃。然后进行纺丝，纺丝喷丝板孔数为5500～11500孔；将纺丝后的纺丝熔体冷却成型，并在卷绕装置的作用下，进行初步拉伸和表面上油，得到丝束；将丝束经过慢牵辊、水浴槽、快牵辊进行再次牵伸，牵伸倍数为初步拉伸后的2～4倍，水浴温度控制在50～70℃，丝束牵伸速度不大于300m/min；牵伸后的丝束，经蒸汽烘箱后进入卷曲机进行卷曲热定型，蒸汽箱温度为60～90℃，卷曲度为20～30个/25mm；热定型后的丝束进入烘箱烘干，铺丝，平衡稳定，烘箱温度控制在80～120℃。
实施例2
取分子量100000，MI＝15-30g/10min的聚乳酸切片75kg，取分子量控制在180000左右，MT＝15-30g/10min的聚丙烯切片2000g，功能性母粒1000g，功能性母粒为分子量调节母粒、纤维强度调节母粒和增白母粒按照重量组分比为2∶1∶2混合。加入螺杆挤出机中，纺丝设备温度控制在170-250℃，在螺杆挤出机的作用下熔融，喷丝板孔为9100三叶异型，丝束冷吹风风温控制在12-30℃，风速0.2-0.5m/s，将丝束经过慢牵辊、水浴槽、快牵辊进行再次牵伸，牵伸倍数为初步拉伸后的2～4倍，水浴温度控制在50～70℃，丝束牵伸速度不大于300m/min；牵伸后的丝束，经蒸汽烘箱后进入卷曲机进行卷曲热定型，蒸汽箱温度为60～90℃，进入卷曲机，卷曲度控制在20-30个/25mm，手感适中，卷曲指数0.35-0.65，卷曲后烘干。
Claims (5)
1.一种改性烟用丝束制备方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
(1)将纤维级聚丙烯粒子、功能性母粒和聚乳酸粒子混合，搅拌均匀，重量组分比例分别为：功能性母粒：不超过5％；聚乳酸：不超过10％；其余为纤维级聚丙烯粒子；
(2)将混合的粒子经过螺杆挤出机挤出纺丝熔体，进行纺丝，纺丝喷丝板孔数为5500～11500孔；
(3)将纺丝后的纺丝熔体冷却成型，并在卷绕装置的作用下，进行初步拉伸和表面上油，得到丝束；
(4)将丝束经过慢牵辊、水浴槽、快牵辊进行再次牵伸，牵伸倍数为初步拉伸后的2～4倍，水浴温度控制在50～70℃，丝束牵伸速度不大于300m/min；
(5)牵伸后的丝束，经蒸汽烘箱后进入卷曲机进行卷曲热定型，蒸汽箱温度为60～90℃，卷曲度为20～30个/25mm；
(6)热定型后的丝束进入烘箱烘干，铺丝，平衡稳定，烘箱温度控制在80～120℃。
2.根据权利要求1所述的改性烟用丝束制备方法，其特征在于：所述功能性母粒为分子量调节母粒、纤维强度调节母粒和增白母粒按照重量组分比为2∶1∶2混合。
3.根据权利要求1所述的改性烟用丝束制备方法，其特征在于：所述纤维级聚丙烯粒子粘均分子量18万～20万，分子量分布小于6。
4.根据权利要求1所述的改性烟用丝束制备方法，其特征在于：所述聚乳酸粒子的重均分子量Mw在80000～160000。
5.根据权利要求1所述的改性烟用丝束制备方法，其特征在于：所述螺杆挤出机中纺丝熔融温度为170～240℃。
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