CN102172297B - 烟梗纳米化处理制备卷烟吸附材料的方法及应用 - Google Patents

Abstract

一种烟梗纳米化处理制备卷烟吸附材料的方法及应用，涉及烟草加工技术领域。步骤如下：取烘干后烟梗颗粒置于纳米球磨机中球磨4h，球磨室内温度不高于60℃；将烟梗纳米球磨料100g与1％甲壳胺醋酸溶液10mL进行混配，用高速搅拌器搅拌5min；加入30mL纯净水和10mL乳化剂持续搅拌呈糊状；转移至喷枪喷壶中，用空气压缩机均匀喷涂于面板上，将喷涂好的面板转移至红外鼓风烘箱中，105℃烘干30min，冷却至室温后将膜与面板分离；将成品膜置于恒湿箱中，湿度控制35％；将水份平衡好的烟梗纳米膜切丝、切粒；纳米化梗丝直接与烟丝混合用于卷烟生产，纳米化梗粒添加到滤棒中制备复合滤嘴。

Description

烟梗纳米化处理制备卷烟吸附材料的方法及应用

技术领域

本发明属于烟草加工技术领域，尤其涉及一种烟梗纳米化处理制备卷烟吸附材料的方法及应用。

背景技术

烟梗是烤烟去除叶片后剩余的叶脉部分，其木质纤维素含量较高、刺激性较强，仅在卷烟中适量添加以提高卷烟填充值、降低卷烟生产成本，限制了其在卷烟生产中的应用，目前烟梗已成为卷烟生产中最大的工业废弃物。

卷烟烟丝燃烧形成的主流烟气中含有烟草特有亚硝胺(TSNAs)、多环芳烃(PAHs)、醛、挥发性碳氢化合物和CO等等多种有害物质，减害降焦已成为卷烟生产中的一项重要研究方向。烤烟种植及烘烤工艺的调整、烟丝的加工处理、滤嘴材料的改进是卷烟减害降焦的三大主要方向，烤烟种植及烘烤工艺的调整虽然从理论上可以从从源头上减少卷烟原料中生成有害物质的前提物含量，但在目前的技术条件下无法真正实现工业化应用。烟丝的加工处理和滤嘴材料改进是当前卷烟生产中主要的减害降焦措施，其中滤嘴吸附材料改进更是卷烟减害降焦的基本防线，除传统醋酸纤维、醋酸乙酯纤维等滤嘴吸附材料外，多种基于先进技术的吸附材料也成功应用于滤嘴以提高滤嘴对主流烟气中有害物质的吸附效果。

戴亚等研制开发的血红蛋白吸附材料滤棒可有效减少烟气中的多种有害成分、北京清华大学联合北京卷烟厂开发了Al₂O₃基的纳米吸附材料滤嘴，将烟气中的焦油含量降到了3mg左右，对其它有害成份的吸附未见报道。上述各类吸附材料都属于外源性材料，其只能添加到滤棒中对烟气中的有害成份进行过滤，但由于要保持卷烟感官质量的稳定，其添加量受到制约，致使吸附效果降低。

纳米材料由于具有较大比表面积，其吸附性能具有独特的优势，目前广泛应用水质净化、材料分离、物质改性、生物医学等领域。但由于纳米化处理过程容易产生高温，对物料性质产生影响，因此，目前纳米材料的加工处理还主要以无机材料为主，对于有机材料的纳米化处理多集中于生物医学的研究上。本研究则探索利用有机废弃物烟梗进行纳米化处理，烟梗纳米化处理后经过科学配料，制备成烟梗纳米膜，可以根据需要制成丝状和颗粒状；纳米化梗丝可以直接与烟丝按适当比例混合后直接卷烟，纳米化梗粒则制成复合滤棒用于烟气中有害成分的吸附。试验表明，将烟梗进行纳米化处理后不仅可以增大其比表面积、提高吸附效果，纳米化处理过程还能在一定程度上将大分子的木质纤维素结构破坏，减少烟气的木质气和刺激性。纳米化梗丝或纳米化梗复合滤嘴均是降低卷烟中有害成分的有效新途径。本发明使烟梗纳米膜作为一种来源于烟草的新型材料，作为烟丝添加材料与复合滤嘴添加材料进行研究，目前暂未见报道。

发明内容

本发明的目的是公开一种烟梗纳米化处理制备卷烟吸附材料的方法及应用，尤其是制备纳米化梗丝和梗粒作为卷烟有害成分的吸附材料的方法及应用，实施在卷烟中，通过纳米化梗丝、梗粒的吸附作用不仅降低了卷烟中有害气体成份的含量，还为烟梗废弃物的利用提供了一条技术途径。

实现本发明目的之技术解决措施如下：一种烟梗纳米化处理制备卷烟吸附材料的方法及应用，包括烟梗与凝胶的纳米球磨化处理，烟梗纳米球磨料与凝胶颗粒的混合配制，烟梗纳米膜的制备方法；烟梗与凝胶的纳米球磨化处理，包括如下步骤：

(1)烟梗自然风干后风选去除杂质和灰尘后，使用粉碎机将烟梗粉碎成直径1mm的颗粒；

(2)将粉碎后的烟梗颗粒于60℃烘箱中烘干2h，置于干燥器中冷却至室温；

(3)取烘干后烟梗颗粒置于外冷式纳米球磨机中球磨4h，球磨过程中控制球磨室内温度不高于60℃；

(4)同样方法制备甲壳胺凝胶颗粒并以醋酸为溶剂配制成1％甲壳胺醋酸溶液；

(5)将烟梗纳米球磨料与1％甲壳胺醋酸溶液进行混配，混配比例为每100g烟梗纳米球磨料添加10mL 1％甲壳胺醋酸溶液，使用高速搅拌器连续搅拌5min；加入30mL纯净水和10mL乳化剂持续进行高速搅拌，使混合料呈糊状；

(6)将搅拌后的糊状混合料转移至喷枪喷壶中，使用空气压缩机以0.6MPa压力均匀喷涂于不锈钢面板上，喷涂过程需不断晃动喷壶防止物料沉淀，喷涂厚度控制在0.5～1mm；

(7)将喷涂好的面板转移至红外鼓风烘箱中，105℃烘干30min，冷却至室温后将膜与面板分离，将成品膜置于恒湿箱中进行水份平衡，恒湿箱湿度控制为35％：

(8)将水份平衡好的烟梗纳米膜切丝、切粒，纳米化梗丝直接与烟丝混合用于卷烟生产，纳米化梗粒添加到滤棒中制备复合滤嘴。

所述烟梗纳米球磨化处理方法，使用外冷式干式纳米球磨机对烟梗进行纳米化处理，球磨温度温度控制在60℃。

所述混合配制方法，各混合料均经纳米化处理，混合后经高速搅拌处理保持物料的均匀度，混合料制成后呈糊状。

所述烟梗纳米吸附材料的制备方法，使用高压喷涂将糊状混合料制成膜状，然后再进行切丝和切粒加工。

所述烟梗纳米膜制备方法，喷涂膜厚度小于1mm，喷涂后应迅速进行脱水干燥，使其在110℃的干燥温度不能超过30min。

所述烟梗纳米膜制备方法，纳米膜与面板分离后转移至恒湿箱中进行水份平衡，使烟梗纳米膜含水量控制在35％左右。

所述烟梗纳米膜的制备方法及应用，制备的纳米膜经切丝处理后直接添加到烟丝中，其切粒处理后添加于滤嘴中制备成复合滤嘴。

本发明使烟梗纳米化处理后可以根据需要制成丝状和颗粒状，纳米化梗丝可以直接与烟丝按适当比例混合后直接卷烟，纳米化梗粒则制成复合滤棒用于烟气中有害成分的吸附。均匀添加到烟丝中的纳米化梗丝直接参与烟丝的燃烧，当前部烟丝燃烧时，位于烟支中后部的纳米化梗丝首先对流经的烟气进行吸附，降低烟气中有害物质浓度，减少后部滤嘴材料的吸附压力；随着燃烧的进行，吸附有焦油及有害成分的纳米化梗丝也逐步参与燃烧反应，此时纳米化烟丝吸附的物质在燃烧所形成的高温环境下进行热裂解，减少了烟气中有害成分的生成。位于滤嘴中的纳米化梗粒对烟气进行最后的吸附，同时，由于烟梗直接来源于烟草，对卷烟的感官质量基本上不会造成影响。本发明实施例的试验证实了上述原理。

与现有技术比较，本发明的优点与有益效果如下：

1、烟梗经纳米化处理后可以提高其比表面积，提高其对有害成份的吸附能力，降低卷烟主流烟气的有害物质含量，同时纳米化处理也破坏了烟梗的木质纤维素结构，降低其刺激性并提高卷烟的燃烧性，从而增加纳米化梗丝的添加比例，降低卷烟生产成本和烟气中的有害成分。

2、对比试验表明，本方法制取的纳米化梗丝添加到卷烟中，使苯酚和氨降低率分别达到了17.67％、19.63％，纳米化梗粒复合滤嘴使成品卷烟中苯酚释放量及氨释放量降低率分别达到12.94％、13.74％，纳米化梗丝与纳米化梗粒复合滤嘴均是降低卷烟中有害成分的有效新途径。

具体实施方式

实施例1：

取卷烟厂某品牌卷烟生产用烟梗，风选干净后使用粉碎机将烟梗粉碎成直径1mm的颗粒；将粉碎后的烟梗颗粒于60℃烘箱中烘干2h，置于干燥器中冷却至室温；取烘干后烟梗颗粒置于外冷式纳米球磨机中球磨4h，本实施例选用多维摆动式高能纳米球磨机制备烟梗纳米粉，控制纳米球磨温度为60℃；用同样方法制备甲壳胺凝胶颗粒。这里，需要先期制取1％甲壳胺醋酸溶液，即用纳米球磨化处理后的甲壳胺凝胶颗粒10克，以醋酸为溶剂配制成1000mL的1％甲壳胺醋酸溶液，同时将20g山梨醇酐单棕榈酸酯溶于100mL 70℃温水中配置成乳化剂。将烟梗纳米球磨料与1％甲壳胺醋酸溶液进行混配，混配比例为每100g烟梗纳米球磨料添加10mL甲壳胺醋酸溶液。

本实施例将烟梗纳米粉300g置于高速搅拌器中，加入30mL1％甲壳胺醋酸溶液和50mL山梨醇酐单棕榈酸酯溶液。然后，开动搅拌器使其低速搅拌，搅拌速度控制在200rph，搅拌过程中缓慢加入150mL纯水直至搅拌器中物料呈糊状，盖上搅拌器上盖，进行高速搅拌，搅拌速度为2500rph；搅拌后的物料快速转移至喷枪喷壶中，使用压缩空气以0.6MPa压力均匀喷涂在清洁不锈钢薄板上；喷涂过程需不断晃动喷壶防止物料沉淀，喷涂厚度控制在0.5～1mm；喷涂完成后立即将不锈钢薄板放入红外鼓风干燥箱中105℃烘干30min，脱膜后将烟梗纳米化膜平放于恒温恒湿箱中，箱中湿度为35％，温度为25℃，平衡24h后进行切丝、切粒。水份平衡好的烟梗纳米膜切丝、切粒后，纳米化梗丝直接与烟丝混合用于卷烟生产，纳米化梗粒添加到滤棒中制备卷烟复合滤嘴。

实施例2：

取卷烟厂某品牌卷烟生产用烟梗，风选干净后使用粉碎机将烟梗粉碎成直径1mm的颗粒；将粉碎后的烟梗颗粒于60℃烘箱中烘干2h，置于干燥器中冷却至室温；取烘干后烟梗颗粒置于外冷式纳米球磨机中球磨4h，本实施例选用多维摆动式高能纳米球磨机制备烟梗纳米粉，控制纳米球磨温度为60℃；用同样方法制备甲壳胺凝胶颗粒，同时取同一批烟梗生产梗丝作试验对照样备用。这里，需要先期制取1％甲壳胺醋酸溶液即用纳米球磨化处理后的甲壳胺凝胶颗粒10克，以醋酸为溶剂配制成1000mL的1％甲壳胺醋酸溶液，同时将20g山梨醇酐单棕榈酸酯溶于100mL 70℃温水中配置成乳化剂。将烟梗纳米球磨料与1％甲壳胺醋酸溶液进行混配，混配比例为每100g烟梗纳米球磨料添加10mL甲壳胺醋酸溶液。

本实施例将烟梗纳米粉900g置于高速搅拌器中，加入90mL1％甲壳胺醋酸溶液和150mL山梨醇酐单棕榈酸酯溶液。然后，开动搅拌器使其低速搅拌，搅拌速度控制在200rph，搅拌过程中缓慢加入450mL纯水直至搅拌器中物料呈糊状，盖上搅拌器上盖，进行高速搅拌，搅拌速度为2500rph；搅拌后的物料快速转移至喷枪喷壶中，使用压缩空气以0.6MPa压力均匀喷涂在清洁不锈钢薄板上；喷涂过程需不断晃动喷壶防止物料沉淀，喷涂厚度控制在0.5～1mm；喷涂完成后立即将不锈钢薄板放入红外鼓风干燥箱中105℃烘干30min，脱膜后将烟梗纳米化膜平放于恒温恒湿箱中，箱中湿度为35％，温度为25℃，平衡24h后进行切丝、切粒。水份平衡好的烟梗纳米膜切丝、切粒；制备的纳米膜经切丝处理后直接添加到烟丝中，其切粒处理后添加于滤嘴中制备成复合滤嘴。将纳米化梗粒制作三段式复合滤嘴，中段为烟梗纳米颗粒填充，两端为普通醋酸纤维滤棒。将纳米化梗丝替代正常生产的梗丝掺配到卷烟中，添加量为10％。

各样品烟气对比测试结果如表1：

表1卷烟主流烟气中有害成分释放量

注：H＝(一氧化碳/14.2+巴豆醛/18.6+HCN/146.3+苯酚/17.4+苯并芘/10.9+氨释放量/8.1+NNK/5.5)*10/7。

由表1可以看出，纳米化梗丝掺配到成品卷烟中对应的样品苯酚释放量及氨释放量降低较为明显；与普通梗丝掺配到成品卷烟中对应的样品对比，苯酚和氨降低率分别达到了17.67％、19.63％。对比纳米复合滤嘴与普通滤嘴，对应的成品卷烟中苯酚释放量及氨释放量降低也较为明显，降低率分别达到12.94％、13.74％。因此，本发明使烟梗纳米膜作为一种来源于烟草的新型吸附材料，不仅使纳米化梗丝与纳米化梗粒在卷烟中可以降低烟气中有害成分，而且还为烟梗废弃物的利用提供了一条技术途径。

Claims (4)

1.一种烟梗纳米化处理制备卷烟吸附材料的应用，包括烟梗的纳米化处理和烟梗纳米膜的制备方法及应用，其特征是：包括如下步骤：

（1）烟梗自然风干后风选去除杂质和灰尘后，使用粉碎机将烟梗粉碎成1mm颗粒；

（2）将粉碎后的烟梗颗粒于60℃烘箱中烘干2h，置于干燥器中冷却至室温；

（3）取适量烘干后烟梗颗粒置于外冷式纳米球磨机中球磨4h，球磨过程中控制球磨温度在60℃；

（4）同样方法制备甲壳胺凝胶颗粒，以醋酸为溶剂配置1%甲壳胺醋酸溶液，同时将20g山梨醇酐单棕榈酸酯溶于100mL70℃温水中配置乳化剂；

（5）将烟梗纳米球磨料与甲壳胺醋酸溶液进行混配作为凝胶剂，混配比例为每100g烟梗纳米球磨料添加10mL甲壳胺醋酸溶液，使用高速搅拌器连续搅拌5min；加入30mL纯净水和10mL乳化剂继续进行高速搅拌，使混合料呈糊状；

（6）将搅拌后的糊状原料迅速转移至喷枪喷壶中，使用空气压缩机以0.6MPa压力均匀喷涂于不锈钢面板上，喷涂过程不断晃动喷壶防止物料沉淀，喷涂厚度控制在0.5～1mm；

（7）将喷涂好的面板迅速转移至红外鼓风干燥箱中，105℃烘干30min；冷却至室温后形成纳米膜，纳米膜与面板分离；将纳米膜置于恒湿箱中进行水份平衡，恒湿箱湿度控制为35%；

（8）将水份平衡好的烟梗纳米膜切丝、切粒，制备的纳米膜经切丝处理后直接添加到烟丝中，其切粒处理后添加于滤嘴中制备成复合滤嘴。

2.根据权利要求1所述烟梗纳米化处理制备卷烟吸附材料的应用，其特征是，使用外冷式干式纳米球磨机对烟梗进行纳米化处理。

3.根据权利要求1所述烟梗纳米化处理制备卷烟吸附材料的应用，其特征是：喷涂后应迅速进行脱水干燥。

4.根据权利要求1所述烟梗纳米化处理制备卷烟吸附材料的应用，其特征是：纳米膜与面板分离后应转移至恒湿箱中进行水份平衡，使烟梗纳米膜含水量控制在35%。