CN102691121A - 一种皮芯型结构的聚乳酸/聚丙烯烟用复合丝束及其制备方法 - Google Patents

一种皮芯型结构的聚乳酸/聚丙烯烟用复合丝束及其制备方法 Download PDF

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一种皮芯型结构的聚乳酸/聚丙烯烟用复合丝束及其制备方法，该聚乳酸/聚丙烯复合烟用丝束是采用复合纺丝技术，通过熔融纺丝法制得，制得的单根纤维的截面呈皮芯型结构(芯为聚丙烯，皮为聚乳酸)，其丝束线密度为3.5～5.5ktex，单丝线密度为2～5dtex，卷曲数为18～28个/25mm，卷曲指数为0.55左右。由于采用皮芯型结构，里面的聚丙烯作骨架，使复合丝束能在100℃左右的高温下进行卷曲和烘干定型加工，得到卷曲性能和物理机械性能优良的烟用丝束；此外，由于该丝束中的聚乳酸具有生物可降解的特点，可减少对环境造成的污染。

Description

一种皮芯型结构的聚乳酸/聚丙烯烟用复合丝束及其制备方法
 
技术领域
本发明属于香烟过滤嘴复合材料及其制备技术领域，具体涉及一种皮芯型结构的聚乳酸/聚丙烯烟用复合丝束及其制备方法。
背景技术
香烟过滤嘴是香烟的重要组成部分，它对烟气中的焦油等有过滤、阻挡和吸附作用，可减少烟气中有害物质对人体的伤害，还能改善烟气的品质。目前市场上的香烟过滤嘴材料主要有两种：二醋酸纤维素和聚丙烯烟用丝束。
二醋酸纤维素纤维滤嘴是一种性能优良、应用普遍的过滤嘴。醋纤分子由含氧环结构通过醚键连接而成，支链上含有强极性的乙酰基（-OCOCH3）和羟基（-OH），所以醋纤丝束对极性物质具有较强的亲合力，可以和焦油组分和低分子物质进行化学反应，反应物牢牢留在纤维表面；同时，丝束表面具有微孔和粗糙感，在对烟气的吸附过程中，同时具有物理吸附和化学吸附双重效果，其过滤和吸附性能优异，因此，二醋酸纤维素纤维是一种性能优良、应用普遍的过滤嘴材料。但生产二醋酸纤维素的原材料是多年生的优质木材, 我国目前不能自给, 主要依靠进口，更重要的是，随着国内烟草企业产量的不断扩大，对醋纤滤棒的需求量也与日俱增，但目前国内的醋纤丝束生产企业并不能完全满足烟草企业的需求，造成醋纤供应紧张的局面，在一定程度上限制了我国烟草行业的进一步发展。此外，木浆生产、纤维素酯化和醋酸纤维素纺丝伴随较严重的污染问题，生产成本高, 价格昂贵，与木材相比, 醋酸纤维素的生物降解性能显著劣化。
聚丙烯烟用过滤丝束作为我国卷烟行业特有的一种过滤材料，在开发初期具有原材料充足，价格低廉等优点而得到大力发展，并为我国烟草行业降本增效作出了巨大贡献。但综合来讲，聚丙烯烟用丝束综合性能与二醋酸纤维丝束仍有一定的差距，聚丙稀分子结构是由亚甲基为支链组成的非极性柔性线型高分子，化学结构稳定，无极性基团，对极性较强的物质亲合力较差；纤维表面光滑平整，丝束的物理吸附能力差，因此，聚丙烯丝束的吸附能力远不如醋酸纤维，抽吸时有较强的辛辣味；另外，聚丙烯原料取自石油，属不可再生资源，且使用后难降解，易造成污染。近年来，随着烟草行业产品结构的调整，降焦工程的启动及税制的调整，我国香烟档次不断提高，低档卷烟用量逐年下降，丙纤用量逐年降低，并趋向逐步退出市场。
由此可见，在目前二醋酸纤维素纤维资源相对不足的情况下，卷烟行业迫切需要一种综合性能接近醋纤，价格又相对低廉的新型烟用丝束，部分替代醋纤用于中低档卷烟的生产。
聚乳酸是近年来国际上推出的新型环保产品，具有良好的循环再生性和生物降解性。聚乳酸纤维与醋纤结构相似，分子表面含有丰富的极性基团，所以聚乳酸丝束对极性物质具有较强的亲合力，可以与焦油组分和低分子物质进行化学反应，反应物牢牢留在纤维表面；同时，丝束表面具有微孔和粗糙感，在对烟气的吸附过程中，同时具有物理吸附和化学吸附双重效果。用聚乳酸材料所制滤棒吸附效果良好，滤棒接装后，吸附性能、抽吸口感与醋纤相似，明显优于丙纤。
    目前国内已有几篇关于聚乳酸烟用丝束的专利，在专利号：200610131699.0《一种香烟过滤嘴丝束及其制备方法》中介绍了聚乳酸树脂原料纺制聚乳酸烟用丝束的工艺和方法；在专利号：200710055310.3《一种烟用滤棒及其制备方法》中介绍了聚乳酸烟用丝束经开松、粘合、包裹、切割和后处理制备出聚乳酸烟用滤棒的方法，但这两篇专利中存在一些无法解决的问题。如：在聚乳酸树脂原料纺制聚乳酸烟用丝束的过程中，需在100℃左右的高温下进行卷曲和烘干定型加工，以提高其卷曲性能和物理机械性能，而聚乳酸材料在高温下的力学性能差，耐热稳定性差，经不起高温加工，造成纺制的聚乳酸烟用丝束性能变差，由此，在相同的滤棒吸阻、圆周及硬度等要求下，必须填充更多的丝束，在同等条件下，与二醋酸纤维素和聚丙烯烟用丝束所制滤棒相比，聚乳酸滤棒单支重量要重0.1～0.3克/支，相当于出棒率要低20～50万支/吨；由此还带来辅助材料消耗量增加，包装运输成本提高，经济效益降低等问题，从而对聚乳酸烟用丝束在卷烟上的应用产生较大限制。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述现有技术所存在的问题而提供一种新的香烟过滤嘴复合丝束——皮芯型结构的聚乳酸/聚丙烯烟用复合丝束及其制备方法。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种皮芯型结构的聚乳酸/聚丙烯烟用复合丝束，该复合丝束中的单根纤维是内芯为聚丙烯、外皮为聚乳酸的皮芯型结构，单根纤维截面外形为圆形或三角形，其中聚丙烯占20%～80wt%，聚乳酸占80%～20wt%；该复合丝束线密度为3.5～5.5ktex，单丝线密度为2～5dtex，卷曲数为18～28个/25mm，卷曲指数为55%。
上述烟用复合丝束的制备方法是将干燥后的聚乳酸原料与聚丙烯原料通过复合纺丝技术，制得皮芯型结构的复合纤维；该纤维再经过牵伸、卷曲、烘干定型等工序，得到聚乳酸/聚丙烯复合烟用丝束。具体的制备方法包括以下步骤： 
1.    将熔融指数为2～4g/10min（190℃,2.16 kg），熔点为163～173℃的聚乳酸树脂干燥至水分小于200ppm，干燥温度60～120℃，干燥时间4～8小时。
2.    将干燥后的上述原料送入一套纺丝系统，在200～220℃熔融、过滤后，经计量泵定量输入复合纺丝组件；同时，将聚丙烯树脂送入另一套纺丝系统，在250～275℃熔融、过滤后，经计量泵定量输入复合纺丝组件；两种纺丝熔体在复合纺丝组件中隔离的腔内分别流动（这种复合纺丝组件是现有技术中所用设备，相关生产企业均备有该设备），在出喷丝板时混合形成皮芯型结构的复合纤维；喷丝板孔数为8000～15000，喷丝孔外形为圆型和三角型。
3.    采用工艺空调冷却装置对新纺出的丝束进行冷却成型，冷却风温10～20℃；通过转动的上油轮将油剂（TAKEMOTO OIL&FAT CO., LTD公司的DELION牌油剂）涂覆在丝束表面以改善后道可加工性。
4.    在适宜的卷绕速率下对丝束卷绕后暂存于盛丝桶中，卷绕速率控制在300～1500m/min。
5.    在一定温度的水浴中对丝束进行牵伸，牵伸温度为50～80℃，牵伸倍率为2～3倍。
6.    牵伸后的丝束进入卷曲机进行卷曲，卷曲温度为75～100℃，卷曲蒸汽压力为0.4～1.0 kgf/cm2。
7.    卷曲后的丝束烘干定型后得到上述聚乳酸/聚丙烯复合烟用丝束，烘干定型温度在100～130℃，烘干定型时间10～15min。
    本发明提供的香烟过滤嘴复合丝束可直接通过已知的香烟过滤嘴成型机制成香烟过滤嘴棒，生产的滤棒对烟气中的有害物质具有较强的吸附能力。经烟气分析，该丝束所制过滤嘴棒在香烟抽吸过程中，对烟气中的有害物质过滤吸附效果明显，并保持卷烟的吸味没有太大改变（检测结果见下表）。
Figure 2012101962404100002DEST_PATH_IMAGE002
   本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：
1.  由于采用皮芯型结构，里面的聚丙烯作骨架，使复合丝束能在100℃左右的高温下进行卷曲和烘干定型加工，得到卷曲性能和物理机械性能优良的烟用过滤丝束。实现在较少丝束填充量的情况下，达到要求的滤棒硬度、吸阻等质量要求，从而提高了丝束单位重量的滤棒生产能力，提高了经济效益；
2.  表面的聚乳酸，对烟气中的有害物质具有较强的吸附能力，并保持卷烟的吸味没有太大改变。此外，可以减少聚乳酸的用量，降低成本。
附图说明
图1是本发明提供的几种纤维截面形状图（显微镜图）。
注：上图中左边的实例外形为三角形，皮层为聚乳酸，芯层为聚丙烯，两者重量组分比例为50：50；中间的实例外形为圆形，皮层为聚乳酸，芯层为聚丙烯，两者重量组分比例为70：30；右边的实例外形为圆形，皮层为聚乳酸，芯层为聚丙烯，两者重量组分比例为25：75。
具体实施方式
本发明以下将结合实施例作进一步说明，但本发明的内容并不限于此。
实施例1
选用一种熔融指数为2.68g/10min，熔点为169℃的聚乳酸树脂，采用真空转鼓干燥机在80℃干燥8小时，水分含量小于100ppm；在210℃下将干燥后的上述原料熔融、过滤，经计量泵定量输入复合纺丝组件，同时，将聚丙烯树脂（熔融指数为26g/10min）送入另一套纺丝系统，在265℃熔融、过滤后，经计量泵定量输入复合纺丝组件，两种材料重量组分比例为50：50（聚乳酸：聚丙烯），喷丝板孔数为11400，喷丝孔外形为三角型；采用11℃的冷却风进行冷却成型，通过上油轮将油剂涂覆在丝束表面；在650m/min的卷绕速率下对丝束卷绕后暂存于盛丝桶中。在70℃的水浴中对丝束进行牵伸，牵伸速度100～200m/min，牵伸倍率为2.1；对牵伸后的丝束在卷曲机上进行卷曲，卷曲温度为90℃，卷曲热刀头蒸汽压力为0.7 kgf/cm2；卷曲后的丝束进入烘干定型机，烘干定型温度在100～120℃，烘干定型时间12min；最终，得到单丝线密度为3.4dtex，丝束线密度为3.89ktex，卷曲数为22个/25mm，卷曲指数为0.57的聚乳酸/聚丙烯复合丝束。
实施例2
选用一种熔融指数为2.43g/10min，熔点为167℃的聚乳酸树脂，采用真空转鼓干燥机在80℃干燥8小时，水分含量小于100ppm；在215℃下将干燥后的上述原料熔融、过滤，经计量泵定量输入复合纺丝组件，同时，将聚丙烯树脂（熔融指数为26g/10min）送入另一套纺丝系统，在260℃熔融、过滤后，经计量泵定量输入复合纺丝组件，两种材料重量组分比例为70：30（聚乳酸：聚丙烯），喷丝板孔数为13200，喷丝孔外形为圆型；采用11℃的冷却风进行冷却成型，通过上油轮将油剂涂覆在丝束表面；在500m/min的卷绕速率下对丝束卷绕后暂存于盛丝桶中。在70℃的水浴中对丝束进行牵伸，牵伸速度100～200m/min，牵伸倍率为2.5；对牵伸后的丝束在卷曲机上进行卷曲，卷曲温度为80℃，卷曲热刀头蒸汽压力为0.5 kgf/cm2；卷曲后的丝束进入烘干定型机，烘干定型温度在90～100℃，烘干定型时间12min；最终，得到单丝线密度为3.0dtex，丝束线密度为3. 90ktex，卷曲数为23个/25mm，卷曲指数为0.53的聚乳酸/聚丙烯复合丝束。
实施例3
选用一种熔融指数为2.72g/10min，熔点为168℃的聚乳酸树脂，采用真空转鼓干燥机在80℃干燥8小时，水分含量小于100ppm；在210℃下将干燥后的上述原料熔融、过滤，经计量泵定量输入复合纺丝组件，同时，将聚丙烯树脂（熔融指数为26g/10min）送入另一套纺丝系统，在270℃熔融、过滤后，经计量泵定量输入复合纺丝组件，两种材料重量组分比例为25：75（聚乳酸：聚丙烯），喷丝板孔数为13200，喷丝孔外形为圆型；采用11℃的冷却风进行冷却成型，通过上油轮将油剂涂覆在丝束表面；在550m/min的卷绕速率下对丝束卷绕后暂存于盛丝桶中。在70℃的水浴中对丝束进行牵伸，牵伸速度100～200m/min，牵伸倍率为2.5；对牵伸后的丝束在卷曲机上进行卷曲，卷曲温度为95℃，卷曲热刀头蒸汽压力为0.85 kgf/cm2；卷曲后的丝束进入烘干定型机，烘干定型温度在110～130℃，烘干定型时间12min；最终，得到单丝线密度为3.1dtex，丝束线密度为4. 11ktex，卷曲数为24个/25mm，卷曲指数为0.60的聚乳酸/聚丙烯复合丝束。

Claims (3)

1.一种皮芯型结构的聚乳酸/聚丙烯烟用复合丝束，其特征在于：该复合丝束中的单根纤维是内芯为聚丙烯、外皮为聚乳酸的皮芯型结构，单根纤维截面外形为圆形或三角形，其中聚丙烯占20%～80wt%，聚乳酸占80%～20wt%；该复合丝束线密度为3.5～5.5ktex，单丝线密度为2～5dtex，卷曲数为18～28个/25mm，卷曲指数为53-57%。
2.一种权利要求1所述的皮芯型结构的聚乳酸/聚丙烯烟用复合丝束的制备方法，其特征在于：将干燥后的聚乳酸原料与聚丙烯原料通过复合纺丝技术，制得皮芯型结构的复合纤维；该纤维再经过牵伸、卷曲、烘干定型工序，得到聚乳酸/聚丙烯复合烟用丝束。
3.根据权利要求2所述的皮芯型结构的聚乳酸/聚丙烯烟用复合丝束的制备方法，其特征在于：该制备方法的具体步骤如下：
1)将熔融指数为2～4g/10min，熔点为163～173℃的聚乳酸树脂干燥至水分小于200ppm，干燥温度60～120℃，干燥时间4～8小时；
2)将干燥后的上述原料送入一套纺丝系统，在200～220℃熔融、过滤后，经计量泵定量输入复合纺丝组件；同时，将聚丙烯树脂送入另一套纺丝系统，在250～275℃熔融、过滤后，经计量泵定量输入复合纺丝组件；两种纺丝熔体在复合纺丝组件中隔离的腔内分别流动，在出喷丝板时混合形成皮芯型结构的复合纤维；喷丝板孔数为8000～15000，喷丝孔外形为圆型或三角型；
3)采用工艺空调冷却装置对新纺出的丝束进行冷却成型，冷却风温10～20℃；通过转动的上油轮将油剂涂覆在丝束表面以改善后道可加工性；
4)在300～1500m/min的卷绕速率下对丝束卷绕后暂存于盛丝桶中；
5)在一定温度的水浴中对丝束进行牵伸，牵伸温度为50～80℃，牵伸倍率为2～3倍；
6)牵伸后的丝束进入卷曲机进行卷曲，卷曲温度为75～100℃，卷曲蒸汽压力为0.4～1.0 kgf/cm2  ；
7)卷曲后的丝束烘干定型后得到上述聚乳酸/聚丙烯复合烟用丝束，烘干定型温度在100～130℃，烘干定型时间10～15min。
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