CN102516728B - 一种卷烟过滤嘴棒用改性聚乳酸组合物及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种卷烟过滤嘴棒用改性聚乳酸组合物及其制备方法，该组合物含有以下重量份的原料：聚乳酸100份、低聚乳酸基-β-环糊精0.02-3份、碳酸钠0.08-5份、吡咯烷酮羧酸钠0.05-5份、维生素0.01-4份、聚丙烯酰胺0.01-8份。本发明提供的聚乳酸组合物制备成的过滤嘴棒对烟气的吸附性能明显优于现有技术，综合性能优异，部分指标超过了醋酸纤维素过滤嘴棒。
Description
技术领域
本发明涉及化工领域，具体涉及一种卷烟过滤嘴棒用改性聚乳酸组合物及其制备方法。
背景技术
过滤嘴的发展是卷烟发展到一定阶段的产物。在过滤嘴最初出现的时候，主要是作为卷烟的嘴状部件起装饰作用。随着卷烟技术的发展，以及人们对低害卷烟的最求，过滤嘴逐渐从可有可无的地位转化为卷烟中不可或缺的一部分，并承担了降焦减害的功能。
香烟过滤嘴具有过滤、阻挡和吸附烟气中的烟碱、焦油等有害成分的作用，好的过滤嘴除了具有上述作用外，还应该能改善烟气的口感，减少烟气对口腔的刺激及对人体健康的伤害。目前，国内市场上商品化应用的过滤嘴材料主要为醋酸纤维素纤维和聚丙烯纤维，总量近30万吨，其中醋酸纤维素纤维的用量占到了80％以上，由于性能优异主要用在中高档卷烟中，然而醋酸纤维素纤维主要依赖进口，并有较大的市场缺口，因此市场衍生了聚丙烯纤维作为替代材料用在低档卷烟中。
另外，在香烟吸完后剩下的过滤嘴部分是要丢弃的，而醋酸纤维素纤维和聚丙烯纤维在自然环境中很难被生物降解，香烟在背负有害人体健康的罪名的基础上，还造成了对环境的污染。人类不能完全李凯香烟，除了减少香烟本身对人体的危害以外，解决滤嘴丢弃带来的污染问题就成为香烟行业必须面对的课题。
另一方面，醋酸纤维素纤维是以优质木材为原料得到的化工产品，从木材到纤维素再到酯化的醋酸纤维素需要消耗大量的木材原料，而生产环节也伴随着很多污染问题。
所以，无论是从木材资源匮乏，还是从改善环境污染角度出发，寻找替代现有的醋酸纤维素和聚丙烯纤维原料的可生物降解材料，制造出可降解的香烟过滤嘴，至少在环境保护方面降低香烟生产所带来的危害，是香烟生产行业急需解决的问题。
乳酸类聚合物，例如聚乳酸(PLA)是以淀粉基农作物经过现代生物技术发酵得到的乳酸为原料，再经过特殊的聚合反应过程生成的高分子树脂，聚乳酸具有良好的生物降解性，使用后能被自然界中的维生物完全降解，用他制成的各种制品埋在土壤中至少6到12个月即得降解为二氧化碳和水，聚乳酸经纺丝和后处理制成烟用过滤嘴棒聚乳酸丝束，丝束再经开松、上胶、卷棒制成过滤嘴棒。
中国专利申请200610016643.0(公开号为CN1817937A)公开了一种香烟过滤嘴材料乳酸类聚合物，乳酸类聚合物包括聚乳酸或聚丙交酯、丙交酯与己内酯和/或乙交酯的共聚物。
中国专利申请200610131699.0(公开号为CN1961765A)公开了一种香烟过滤嘴丝束及其制备方法，丝束原料是由乳酸类聚合物、热稳定剂、抗氧剂、乳酸捕获剂、流动性和粘结性改进剂、消光和增白剂。其中乳酸类聚合物是聚乳酸的一个规格或多个规格的混合物，或者是丙交酯与ε-己交酯、丙交酯与乙交酯，或丙交酯与ε-己交酯和乙交酯的共聚物；热稳定剂为：硬脂酸钙、硬脂酸锂、硬脂酸铝、月桂酸钙、乳酸钙或乳酸锌；抗氧剂是无毒或低毒的亚磷酸酯类稳定剂和酚类抗氧剂，其为亚磷酸三苯酯、亚磷酸三壬基苯酯、抗氧剂1010、抗氧剂1076、抗氧剂2246或抗氧剂264；乳酸捕获剂，纳米二氧化硅、纳米二氧化钛、纳米羟基磷灰石或1，4-丁二醇双(β-氨基丁烯酸)酯；消光和增白剂为钛白粉。
中国专利申请200910241643.4(公开号为CN102080275A)提供了一种可生物降解的烟用纤维材料及香烟过滤嘴，丝束是由90-100％的非内酯单体共聚改性聚乳酸和0-10％的稳定剂经熔融纺丝工艺加工而成。所述非内酯单体共聚改性聚乳酸为分子链中含有总链节数的1-30％的非内酯型单体链节，其余为乳酸链节的高分子聚合物，且其重均分子量为5-35万，分散指数1.2-3.0；非内酯单体链节是由非内酯型且能与乳酸实现共聚的单体物质聚合得到的，包括乙二醇、丙二醇、乙醇酸、乙二醇单甲醚或其混合物。专利涉及的稳定剂主要为磷酸酯类和抗氧剂类。
中国专利申请200910241645.3(公开号为CN102080278A)也涉及了一种可生物降解的烟用纤维材料及香烟过滤嘴，原料组成为：1-99wt％的聚丁二酸丁二醇酯聚合物、1-99wt％的聚乳酸聚合物和0-3wt％的热稳定剂，其中聚丁二酸丁二醇酯聚合物和聚乳酸聚合物分别可以是它们的均聚物，也可以是含有不超过其各自分子链节总数30％的其它单体物质的共聚物。
现有专利涉及的聚乳酸类滤棒在“过滤吸附”和感官“品吸”方面还存在一些不足。在过滤吸附方面，综合吸附性能不如醋纤滤棒，针对一些特定的有害物质吸附性能有待改善，如苯酚、氰化氢、巴豆醛等。在感官“品吸”方面，聚乳酸类滤棒存在一定的刺激性和杂气，余味略显粗糙。醋纤过滤嘴棒和聚乳酸过滤嘴棒对七种主要卷烟有害物质的吸附性能比较结果见表1：
表1：七种有害物质吸附性能对比(开式吸阻1100Pa，圆周24.50mm)
发明内容
本发明的目的在于提供一种聚乳酸组合物及其制备方法。
本发明的目的还在于提供聚乳酸组合物在卷烟中的应用。
本发明所述的一种卷烟过滤嘴棒用改性聚乳酸组合物，含有以下重量份的原料：聚乳酸100份、低聚乳酸基-β-环糊精0.02-3份、碳酸钠0.08-5份、吡咯烷酮羧酸钠0.05-5份、维生素0.01-4份、聚丙烯酰胺0.01-8份。
优选地，本发明所述的改性聚乳酸组合物，含有以下重量份的原料：聚乳酸100份、低聚乳酸基-β-环糊精0.05-2.8份、碳酸钠0.1-3.5份、吡咯烷酮羧酸钠0.07-4份、维生素0.02-3份、聚丙烯酰胺0.05-6份。
进一步优选，本发明所述的改性聚乳酸组合物，含有以下重量份的原料：聚乳酸100份、低聚乳酸基-β-环糊精0.1-2份、碳酸钠0.1-2.5份、吡咯烷酮羧酸钠0.1-3份、维生素0.05-2份、聚丙烯酰胺0.2-5份。
上述烟用丝束用改性聚乳酸组合物中：
所述聚乳酸来源于丙交酯开环聚合或乳酸缩聚，其中右旋D组份乳酸结构单元的重量含量小于10％，特性粘度为1.0-2.0dl/g，残留催化剂含量小于100ppm，残留单体丙交酯重量含量小于0.2％；
所述的维生素选自维生素A、维生素C、维生素E和微生素B1中的一种或几种；
所述的聚丙烯酰胺包括非离子、阴离子、阳离子和两性型四种类型的聚丙烯酰胺，优选为两性型聚丙烯酰胺。
本发明还提供了一种烟用聚乳酸组合物的方法，该方法包括如下步骤：
1)将上述组份在50℃条件下鼓风干燥8小时；
2)将所有组份按用量加入至高混机中，100-500rpm高速分散30分钟得到改性混合物；
3)将改性混合物通过双螺杆熔融挤出造粒得到丝束用改性聚乳酸，双螺杆的螺杆温度控制在175-190℃，螺杆转速100-300rpm。
本发明改性聚乳酸组合物及其应用具有如下优点：
1、本发明提供的改性聚乳酸中：
聚乳酸为丙交酯开环聚合或乳酸缩聚，其中右旋D组份乳酸结构单元的重量含量小于10％，特性粘度为1.0-2.0dl/g，残留催化剂含量小于100ppm，残留单体丙交酯重量含量小于0.2％；
低聚乳酸基-β-环糊精：环糊精分子具有略呈锥形的中空圆筒立体环状结构，由于特殊的分子结构，使得环糊精具有较好的吸附性能，对烟气有害成分(尤其是焦油)有明显的过滤吸附效果；选择低聚乳酸基-β-环糊精，主要是因为环糊精与聚乳酸的相容性较差，通过对环糊精进行接枝改性可以大幅度提高与聚乳酸的相容性。
碳酸钠：可有效地去除烟气中的酸性成分，如氰化氢，并可降低烟气中的粒相物总量。
吡咯烷酮羧酸钠：可明显减少烟气的总粒相物和焦油含量，而对烟碱的吸附较少，因此可以在保证烟民“劲头”的前提下，减少有害物质的含量。
维生素：可以有效阻止高级糖基化端产物或其烟草衍生物在人体内的积累；另外，维生素是较好的抗氧化剂，可以有效除去烟气中的自由基。聚丙烯酰胺：有一定的吸湿性，可以改善聚乳酸回潮率低的缺陷，从而优化聚乳酸滤棒的品吸，减少刺激，达到口感柔和。
2、本发明提供的组合物制成过滤嘴棒后，“品吸”结果：烟气细腻、刺激性降低、杂气减少、余味干净舒适、口感柔和；对烟气有害物质的过滤吸附性能有明显提高，危害性指数大幅度下降，整体吸附效果与醋纤过滤嘴棒相当。
3、相较于现有技术，本发明的区别及意料不到的效果是：本发明提供的组合物制备的过滤嘴棒对烟气的吸附性能明显优于现有技术，综合性能优异，部分指标超过了醋酸纤维素过滤嘴棒。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例1：过滤嘴棒用改性聚乳酸组合物
1、组成为：
| 组成 | 重量(单位：kg) |
| 聚乳酸(D含量0.5％) | 100 |
| 低聚乳酸基-β-环糊精 | 1.2 |
| 碳酸钠 | 1.0 |
| 吡咯烷酮羧酸钠 | 1.0 |
| 维生素C | 0.04 |
| 维生素E | 0.06 |
| 聚丙烯酰胺 | 0.5 |
2、制备方法：
1)称取各组份，将上述组份在50℃条件下鼓风干燥8小时；
2)将所有组份按用量加入至高混机中，500rpm高速分散30分钟得到改性混合物；
3)将改性混合物通过双螺杆熔融挤出造粒得到丝束用改性聚乳酸组合物，双螺杆的螺杆温度控制在185℃，螺杆转速150rpm。
3、将改性组合物制备得到的过滤嘴棒接装到国内某品牌烟上进行对比试验，控制对比样品的物理常规指标相同(开式吸阻1100±30Pa，圆周24.50±0.1mm)。主要吸附性能的评价方法：GB/T5606.1-2004、GB/T16447-2004、GB/T19069-2004、GB/T 23355-2009、GB/T23203.1-2008、GB/T 23356-2009。具体评定见表2：
表2：考察及结果
结果显示：与醋纤过滤嘴棒相比，在吸附性能方面：未改性的聚乳酸对照样品在NNK和羰基化合物两项指标上表现较好，其它吸附指标都存在一定程度的不足；而实施例1样品不仅保持了对NNK和羰基化合物较好的吸附性能，而且在其它指标上均有所改善，部分指标(如氰化氢、苯并芘和焦油)优于醋纤过滤嘴棒。在专家感官“品吸”方面：未改性的聚乳酸对照样品有一定的口腔和喉部刺激性、余味粗糙、并有少量杂气；而实施例1样品刺激性降低、余味尚可、杂气不明显、口感柔和。
实施例2：过滤嘴棒用改性聚乳酸组合物
1、细成为：
| 组成 | 重量(单位：kg) |
| 聚乳酸(D含量0.5％) | 100 |
| 低聚乳酸基-β-环糊精 | 0.2 |
| 碳酸钠 | 0.1 |
| 吡咯烷酮羧酸钠 | 0.2 |
| 维生素C | 0.04 |
| 维生素E | 0.06 |
| 聚丙烯酰胺 | 0.5 |
2、制备方法：同实施例。
3、将改性组合物制备得到的过滤嘴棒接装到国内某品牌烟上进行对比试验，控制对比样品的物理常规指标相同(开式吸阻1100±30Pa，圆周24.50±0.1mm)。主要吸附性能的评价方法：GB/T5606.1-2004、GB/T16447-2004、GB/T19069-2004、GB/T 23355-2009、GB/T23203.1-2008、GB/T 23356-2009。具体评定见表3：
表3：考察及结果
结果显示：与醋纤过滤嘴棒相比，在过滤吸附性能方面：实施例2样品保持了对NNK和羰基化合物较好的吸附性能，而且在其它吸附指标上均有所改善，其中氰化氢指标下降幅度较大，已优于醋纤过滤嘴棒。在专家感官“品吸”方面：与未改性对照样品相比，实施例2的样品刺激性降低、余味尚可、有少量杂气、口感柔和。
实施例3：过滤嘴棒用改性聚乳酸组合物
1、组成为：
| 组成 | 重量(单位：kg) |
| 聚乳酸(D含量0.5％) | 100 |
| 低聚乳酸基-β-环糊精 | 1.2 |
| 碳酸钠 | 1.0 |
| 吡咯烷酮羧酸钠 | 1.2 |
| 维生素C | 0.04 |
| 维生素E | 0.06 |
| 聚丙烯酰胺 | 0.5 |
2、制备方法：同实施例1。
3、将改性组合物制备得到的过滤嘴棒接装到国内某品牌烟上进行对比试验，控制对比样品的物理常规指标相同(开式吸阻1100±30Pa，圆周24.50±0.1mm)。
主要吸附性能的评价方法：GB/T5606.1-2004、GB/T16447-2004、GB/T19069-2004、GB/T 23355-2009、GB/T 23203.1-2008、GB/T23356-2009。具体评定见表4：
表4：考察及结果
结果显示：基本指标与实施例1相近，其中氰化氢指标吸附性能明显下降，通过比较改性聚乳酸组成，发现碳酸钠对氰化氢的吸附效果明显。
实施例4：过滤嘴棒用改性聚乳酸组合物
1、组成为：
| 组成 | 重量(单位：kg) |
| 聚乳酸(D含量0.5％) | 100 |
| 低聚乳酸基-β-环糊精 | 1.2 |
| 碳酸钠 | 1.0 |
| 吡咯烷酮羧酸钠 | 1.2 |
| 维生素A | 0.04 |
| 聚丙烯酰胺 | 2.5 |
2、制备方法：同实施例1。
3、将改性组合物制备得到的过滤嘴棒接装到国内某品牌烟上进行对比试验，控制对比样品的物理常规指标相同(开式吸阻1100±30Pa，圆周24.50±0.1mm)。
主要吸附性能的评价方法：GB/T5606.1-2004、GB/T16447-2004、GB/T19069-2004、GB/T 23355-2009、GB/T 23203.1-2008、GB/T23356-2009。具体评定见表5：
表5：考察及结果
结果显示：与实施例1-3相比，整体吸附性能有一定程度的优化，与醋纤过滤嘴棒相当，并在个别指标上优于醋纤过滤嘴棒。在“品吸”方面，口感上已与醋纤过滤嘴棒相当，整体品吸结果明显好于未改性的对照样品。
对比例1：中国专利申请200610131699.0的实施例1
1、组成：聚乳酸(左旋乳酸单元97％、右旋乳酸单元3％)100份、亚磷酸三壬基苯基酯0.2份、抗氧剂1010 0.2份、硬脂酸钙0.2份、乙酰柠檬酸三丁酯1.0、金红石型钛白粉0.4份和纳米二氧化硅微粉1.0。
2、制备方法：
纺丝组合物干燥：计量段温度控制在220±2℃，纺丝组件的温度控制在205±1℃，两个熔体计量泵的规格同位10ml/r，速度都是30r/min，两个喷丝板各6000孔，矩形排布，喷丝孔呈三叶形，等价直径0.5mm，用25℃的干燥空气侧吹风冷却，用滚筒法涂覆油剂(0.2％的聚乙二醇1700水溶液，加有0.1％的抗静电剂TM和0.1％的壬基粉聚氧乙烯(15))，两束出生纤维合股后用七棍牵伸机收集，速度50m/min，用七辊牵伸机进行牵伸，牵伸介质为水，牵伸温度75℃，收集速度150m/min。在60℃水槽中进行紧张热定型，丝束出水后用自来水冷却，收集速度150m/min。用有效宽度30mm的卷曲机进行卷曲，加热介质为水蒸汽，预热温度60℃，对卷曲后的纤维束进行松弛热定型和脱水，加热介质为空气，定型温度为55℃，定型脱水时间10min，得到香烟过滤嘴丝束片。
将上述丝束制备得到的过滤嘴棒接装到国内某品牌烟上(同本实施例)进行试验，控制样品的物理常规指标相同(开式吸阻1100±30Pa，圆周24.50±0.1mm)。
对比例2：中国专利申请200610016643.0的实施例3
1、组成：聚乳酸重量占比92％和己内酯重量占比8％。
2、制备方法：
将上述聚乳酸组合物制备得到的过滤嘴棒接装到国内某品牌烟上(同本实施例)进行试验，控制样品的物理常规指标相同(开式吸阻1100±30Pa，圆周24.50±0.1mm)。
实验例1：指标考察
在国内某品牌烟上进行试验，控制对比样品的物理常规指标相同(开式吸阻1100Pa，圆周24.50mm)，对实施例1-4、对比例1-2和现有醋纤过滤嘴棒进行比较，主要评价其吸附性能的方法有GB/T5606.1-2004、GB/T16447-2004、GB/T19069-2004、GB/T23355-2009、GB/T 23203.1-2008、GB/T 23356-2009，具体结果见表6：
表6：检测指标及结果
结果显示：对比例试验结果与本发明实施例中的未改性聚乳酸过滤嘴棒相当，其中对氰化氢、苯酚和巴豆醛的吸附较差，以苯酚为例，对比例烟气中检测到的苯酚高出醋纤过滤嘴棒50％左右。本实施例1-4综合吸附指标明显改善，尤其在氰化氢、苯酚和巴豆醛指标上改善较大，实施例1、2和4的氰化氢指标优于醋纤过滤嘴棒，苯酚和巴豆醛数值还略高于醋纤过滤嘴棒，但差距已分别控制在10％和5％以内，在NNK和羰基化合物指标上实施例和对比例的结果都优于醋纤过滤嘴棒。在专家感官“品吸”方面：对比例样品有一定的口腔和喉部刺激性、余味粗糙、并有少量杂气；而实施例1-4样品刺激性降低、余味尚可、杂气不明显或无杂气、口感柔和或细腻，整体品吸效果明显改善。
上述实验结果表明：与对比例相比较，本发明涉及的改性聚乳酸组合物制备得到的过滤嘴棒在过滤吸附性能和“品吸”指标上得到了明显改善，综合指标与醋纤过滤嘴棒相当，部分指标优于醋纤过滤嘴棒。
虽然，上文中已经用一般性说明、具体实施方式及试验，对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
Claims (9)
1.一种卷烟过滤嘴棒用改性聚乳酸组合物，其特征在于，该组合物含有以下重量份的原料：聚乳酸100份、低聚乳酸基-β-环糊精0.02-3份、碳酸钠0.08-5份、吡咯烷酮羧酸钠0.05-5份、维生素0.01-4份、聚丙烯酰胺0.01-8份。
2.根据权利要求1所述的改性聚乳酸组合物，其特征在于，该改性聚乳酸组合物含有以下重量份的原料：聚乳酸100份、低聚乳酸基-β-环糊精0.05-2.8份、碳酸钠0.1-3.5份、吡咯烷酮羧酸钠0.07-4份、维生素0.02-3份、聚丙烯酰胺0.05-6份。
3.根据权利要求2所述的改性聚乳酸组合物，其特征在于，该改性聚乳酸组合物含有以下重量份的原料：聚乳酸100份、低聚乳酸基-β-环糊精0.1-2份、碳酸钠0.1-2.5份、吡咯烷酮羧酸钠0.1-3份、维生素0.05-2份、聚丙烯酰胺0.2-5份。
4.根据权利要求1-3任一项所述的改性聚乳酸组合物，其特征在于，所述聚乳酸来源于丙交酯开环聚合或乳酸缩聚，其中右旋D组份乳酸结构单元的重量含量小于10%。
5.根据权利要求4所述的改性聚乳酸组合物，所述的维生素选自维生素A、维生素C、维生素E和微生素B1中的一种或几种。
6.根据权利要求4所述的改性聚乳酸组合物，其特征在于，所述的聚丙烯酰胺包括非离子、阴离子、阳离子和两性型四种类型的聚丙烯酰胺。
7.根据权利要求6所述的改性聚乳酸组合物，其特征在于，所述的聚丙烯酰胺为两性型聚丙烯酰胺。
8.一种制备权利要求1-7任一项所述改性聚乳酸组合物的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
1）将上述组份在50℃条件下鼓风干燥8小时；
2）将所有组份按用量加入至高混机中，100-500rpm高速分散30分钟得到改性混合物；
3）将改性混合物通过双螺杆熔融挤出造粒得到卷烟过滤嘴棒用改性聚乳酸组合物，双螺杆的螺杆温度控制在175-190℃，螺杆转速100-300rpm。
9.权利要求1-7任一项所述的改性聚乳酸组合物在用于卷烟的过滤嘴中的应用。
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Application publication date: 20120627 Assignee: Hangzhou Dehong Technology Co.,Ltd. Assignor: MAANSHAN TONGJIELIANG BIOLOGICAL MATERIAL CO.,LTD. Contract record no.: X2022330000058 Denomination of invention: The invention relates to a modified polylactic acid composition for cigarette filter rod and a preparation method thereof Granted publication date: 20130619 License type: Common License Record date: 20220318 |
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