CN103088458A - 纯聚乳酸丝束及其制备方法以及卷烟过滤嘴 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种纯聚乳酸丝束及其卷烟过滤嘴，采用L-聚乳酸和D-聚乳酸（右旋聚乳酸）混合的纺丝原料制成，其中L-聚乳酸占总重量90%—98%，D-聚乳酸占2%—8%。利用现有的两步法烟用聚丙烯短纤维熔融纺丝工艺，来纺制纯聚乳酸丝束。利用本发明的纯聚乳酸丝束可以制造各种硬度卷烟过滤嘴，它可以有效抑制烟丝中和烟嘴表面霉菌和有害病菌，3个月完全可降解性，对烟气中的羰基类化合物具有明显的化学亲和，可以有效拦截烟气中的甲醛、丙烯醛、巴豆醛等有害物质，拦截效率比二醋酸滤嘴提高20%以上。

Description

纯聚乳酸丝束及其制备方法以及卷烟过滤嘴

技术领域

本发明涉及卷烟材料，特别涉及一种烟用高分子纯聚乳酸纤维丝束和用其卷制的、不添加塑化剂的卷烟过滤嘴。

背景技术

卷烟过滤嘴主要是用二醋酸纤维丝束卷制的，卷制二醋酸纤维过滤嘴需要在丝束中喷施三醋酸甘油酯，喷施量占丝束量的6%——10%，这样才能保证过滤嘴的硬度。过滤嘴卷出后，还要有24小时的固化期。

二醋酸纤维素丝束是以天然木浆为原料，经乙酰化制得二醋片，再用丙酮溶解成溶液，采用溶液纺丝工艺纺丝而得。二醋酸的制备和纺丝工艺污染大，耗能大。二醋酸纤维中还留丙酮。因此，采用二醋酸纤维卷制过滤嘴，不仅消耗大量森林资源，滤嘴中还埋藏了潜在危害性。

二醋酸纤维不易降解，乱丢的烟蒂会影响环境，污染土壤。二醋酸纤维易燃，乱丢烟头极易引起火灾。二醋酸纤维不是资源节约型、环境友好型、无害健康的卷烟滤嘴材料。

现在，有一种新型生物材料——聚乳酸（PLA）开始引起烟草以及相关行业的重视。聚乳酸(PLA)是一种绿色高分子生物材料。它由植物淀粉（如玉米）发酵制成的乳酸（LA）聚合而成。聚乳酸的生产过程无污染，具有良好的可降解性，使用后能被自然界中微生物完全降解，最终生成二氧化碳和水，不污染环境，是国际公认的环境友好材料。乳酸是生物界存在的一种生物单体，具有人体亲和性。聚乳酸与塑料的基本物性类似，在食品包装，民用织物、保健织物，以及医疗领域都有广泛的应用。聚乳酸还是唯一具有优良抑菌及抗霉特性的生物可降解材料。聚乳酸良好的抗拉强度和延展度，可以用熔融挤出法纺丝工艺纺制烟用纤维丝束，因此引起烟草以及相关行业的重视。

但由于聚乳酸是一种新型材料，虽可以用熔融挤出法纺丝工艺纺丝，但纺出的纤维丝束与二醋酸纤维丝束比，技术指标差距很大。卷制的过滤嘴，硬度低，压降（大）低，变性系数大，出棒率低，过滤效率低，根本无法在卷烟上使用。因此，所能检索到的研究案例基本都是对都是通过对聚乳酸实施改性，来缩小聚乳酸纤维丝束与二醋酸纤维丝束的技术差距。而改性一定会在聚乳酸中留下许多不利于健康的、甚至是有很大危害性的化合物。例如改性所用的消光剂、偶联剂、非离子表面活性剂等等。

聚乳酸纤维没有合适的增塑剂和粘结剂。很多研究案例用三醋酸甘油酯、非离子表面活性剂、乳酸甘油酯、乳酸乙二醇酯、N-甲基吡咯烷酮、柠檬酸三乙酯、柠檬酸三丁酯、乙酰基柠檬酸三乙酯、乙酰基柠檬酸三丁酯、乙酰基柠檬酸三（β-乙基己基）酯、碳酸丙烯酯、丙二酸二甲酯、二乙二醇单乙基醚醋酸酯、乙酰丁二酸二甲酯、碳酸二丙酯等等，设计增塑剂和粘结剂配方。且不说各家配方有没有增塑、粘结作用（尚无成功的报道）。就是有作用，但在过滤嘴里加入这么多化合物，无疑会在过滤嘴中埋藏进潜在的危害性。

那么，怎样才能把聚乳酸纺织成达到基本技术要求的烟用纤维丝束？怎样才能用这个纤维丝束卷制出符合各类规格卷烟技术要求的过滤嘴？

发明内容：

本发明的目的就是要把未加改性的纯聚乳酸材料纺制成基本符合卷烟滤嘴技术要求的烟用聚乳酸纤维丝束，从而避免那些只为追求使用概念，不顾安全特性的化学改性，真正体现聚乳酸纤维的绿色特性和使用价值。

由于未做化学改性的聚乳酸纤维丝束的填充性能比二醋酸纤维丝束低，在不加增塑剂和粘结剂的情况下卷制出的滤嘴棒的硬度和吸阻均比较低，很难达到卷烟使用要求。如果硬性地增大纤维丝束的填充量可以提高滤嘴棒吸阻指标，但滤嘴棒的硬度却不能相应提高。而硬性增大纤维丝束的填充量的做法会严重影响纤维丝束的出棒率，导致成本大幅上升，进而丧失产品的应用价值。

因此本发明不仅要把纯聚乳酸纺制成基本符合技术要求的烟用纤维丝束，同时还要在不加增塑剂和粘结剂的前提条件下卷制出硬度和压降等关键技术指标均符合卷烟技术要求的、真正意义上的绿色卷烟滤嘴棒，实现聚乳酸纤维丝束对二醋酸纤维丝束，聚乳酸纤维滤嘴棒对二醋酸纤维过滤嘴棒最经济、最安全、最可靠的替代。

本发明采用的技术方案如下：

一、一种纯聚乳酸丝束，其特征在于：采用L-聚乳酸（左旋聚乳酸）做纺丝原料制成。L-聚乳酸分子量＞16万。

也可以采用L-聚乳酸和D-聚乳酸（右旋聚乳酸）混合的纺丝原料制成，其中L-聚乳酸占总重量90%—98%，D-聚乳酸占2%—8%。

二、纯聚乳酸丝束的纺制方法，采用所述的纯聚乳酸为纺丝原料，利用现有的两步法烟用聚丙烯短纤维熔融纺丝工艺，来纺制纯聚乳酸丝束，其特征在于：

a、螺杆加热区温度、法兰区温度、弯管温度、纺丝熔体箱温度，喷丝板温度等纺丝工艺各工序段部件温度，相对于烟用聚丙烯短纤维熔融纺丝工艺各工序部件温度均降低20%，温度控制精度±1.5℃；

b、纤维丝束拉伸水浴液采用橄榄油乳化液，乳化液温度：80℃±5℃；

c、丝束弯曲工序压辊的上辊温度50℃±3℃，下辊温度为：60℃±3℃；

d、采用同心圆喷丝板，喷丝板孔数10000——14000孔，每增加500孔为一个喷丝板规格；

e、喷丝板孔眼截面分X型和Y型，可在一个喷丝板上制作X型和Y型孔两种孔型，孔型均匀交叉分布；也可以采用模块化拼接，即把两种孔型的喷丝板拼接成一个喷丝板，可两个扇面、四个扇面、六个扇面或八个扇面拼接，不同孔型模板相互间隔；

f、烘干隧道采取上进风，下排风热风干燥方式，热风温度：45℃±3℃。

三、纯聚乳酸丝束卷制的卷烟过滤嘴，其特征在于：

a、卷制过滤嘴硬度≥76%——＜80%，压降2800Pa±200Pa技术要求的过滤嘴，采用单层成型纸卷制过滤嘴，成型纸克重26g/㎡——36g/㎡，聚乳酸丝束总旦4.0dtex——4.2dtex，单旦3.0dtex——3.3dtex；

b、卷制过滤嘴硬度≥78%——＜82%，压降2800Pa±200Pa技术要求的过滤嘴，采用单层成型纸卷制过滤嘴，成型纸克重36g/㎡——48g/㎡，聚乳酸纤维丝束总旦3.8dtex——4.0dtex，单旦2.8dtex——3.2dtex；

c、卷制过滤嘴硬度≥80%——＜84%，压降2800Pa±200Pa技术要求的过滤嘴，采用双层成型纸卷制嘴棒，内层纸无搭口。外层成型纸纸26g/㎡——34g/㎡，内层成型纸20g/㎡——22g/㎡，聚乳酸纤维丝束总旦3.6dtex——3.8dtex，单旦2.6dtex——3.0dtex；

d、卷烟过滤嘴硬度≥84%，采用双层成型纸卷制嘴棒，内层纸为瓦楞纸，内层纸无搭口，瓦楞纸80 g/㎡——85 g/㎡，外成型纸26 g/㎡，聚乳酸纤维丝束总旦3.4dtex——3.6dtex，单旦2.5dtex——3.0dtex；

e、卷制硬度≥82%，压降3000Pa±200Pa规格的、丝束中包裹活性炭粉末或其它固体粒相粉末材质的过滤嘴，采用单层成型纸卷制过滤嘴，成型纸克重24g/㎡——30g/㎡，聚乳酸纤维丝束总旦3.3dtex——3.6dtex，单旦2.5dtex——3.2dtex。

嘴棒成型机烟枪温度≤48℃，烙铁温度≤80℃，纯聚乳酸丝束开松度参照二醋酸纤维丝束的开松度。

四、根据权利要求4所述的纯聚乳酸丝束卷制的卷烟过滤嘴，其特征在于：纯聚乳酸丝束卷制的卷烟过滤嘴，可以用作二元和三元复合过滤嘴的基棒。

聚乳酸有三种聚合工艺，即直接缩聚法，反应挤出法，二步法。本发明主要选用二步法工艺制备的聚乳酸做纺丝原料。二步法是最成熟，最稳定的聚乳酸聚合工艺。该方法制备的聚乳酸分子量最可达22万，因此抗拉强度及延展度高，热稳定性好，最适和用熔融挤出法纺丝。本发明涉及了左旋聚乳酸和右旋聚乳酸。左旋聚乳酸最适于熔融纺丝，采用左旋聚乳酸和右旋聚乳酸的配方组合，可以改变聚乳酸纤维的特性以满足不同技术需求。

本发明所涉及聚乳酸纺丝工艺，完全采用成熟的烟用聚丙烯短纤维熔融纺丝工艺，只是根据聚乳酸的特性对整个工艺流程的关键工序的温度参数进行重新设定，并提出更高的温度控制精度要求。

本发明所涉及的烟用聚乳酸纤维丝束的两个关键要素：一是“纯”，不做任何化学改性，保持聚乳酸原有的物理化学形状。选用的高分子量L-聚乳酸消旋度低，光学活性高，几乎没有残存单体，原料的纯度高，生物相容好，从而保证了聚乳酸纤维丝束的纯净性和生物安全性，防止衍生出对人体的危害物质；二是L-聚乳酸具有高的结晶度和软化点，最适于熔融纺丝工艺。用现成的、成熟的烟用聚丙烯短纤维熔融纺丝工艺只需对原工艺的关键工艺参数进行修改，实践了用传统工艺纺制新型烟用绿色生物纤维材料技术技术路线。

本发明的意义和效果：

一是卷制聚乳酸纤维过滤嘴拒绝塑化剂，拒绝粘结剂，以杜绝滤嘴对人体制造的潜在危害，实现真正意义上的、当今唯一的用纯绿色生物材料卷制纯绿色卷烟滤嘴的成功案例；

二是，通过多因素的技术组合，科学优化的技术参数搭配，有效补偿了因不用增塑剂、粘结剂而损失的滤嘴硬度和压降，成功卷制出满足各种技术规格要求的、符合各类规格卷烟技术要求的聚乳酸纤维过滤嘴；

三是，优化出以聚乳酸纤维为载体、添加活性炭或其它安全滤材的、用于卷制二元和三元复合过滤嘴的聚乳酸纤维基棒的技术方案。

本发明中每一套技术方案制出的聚乳酸纤维过滤嘴，均能与二醋酸纤维过滤嘴媲美。

用本发明制作的聚乳酸纤维过滤嘴与二醋酸纤维过滤嘴在同一个卷烟上进行烟气指标和内在质量及其它比对，结果如下：

1、聚乳酸纤维滤嘴，可以抑制烟丝中和烟嘴表面霉菌和有害病菌。

2、聚乳酸纤维滤嘴具有阻燃特性，可以降低乱丢烟蒂引起的火灾隐患。

3、聚乳酸纤维滤嘴具有完全可降解性，乱丢的烟蒂在土壤中3个月可完全降解。

4、聚乳酸纤维滤嘴对烟气中的羰基类化合物具有明显的化学亲和，可以有效拦截烟气中的甲醛、丙烯醛、巴豆醛等有害物质。拦截效率比二醋酸滤嘴提高20%以上。同时，滤嘴对烟气中的尼古丁、氢氰酸、氨、苯并芘、N-亚硝胺等有害物质均有拦截作用，拦截效率比二醋酸纤维滤嘴高10%左右。  

本发明制作的聚乳酸纤维过滤嘴，制作成本比二醋酸纤维过滤嘴低20%以上。是最经济，最环保，最安全的卷烟过滤嘴。

具体实施方式：

一、纯聚乳酸丝束：

单独用L-聚乳酸纺丝，也可根据材料性质的其它要求采用L-聚乳酸和D-聚乳酸的混合原料纺丝，其中L-聚乳酸占总重量90%—98%，D-聚乳酸占2%—8%。利用现有的两步法烟用聚丙烯短纤维熔融纺丝工艺纺制纯聚乳酸丝束，对两步法烟用聚丙烯短纤维熔融纺丝工艺中的以下参数进行调整：

a、螺杆加热区温度、法兰区温度、弯管温度、纺丝熔体箱温度，喷丝板温度等纺丝工艺各工序段部件温度，相对于烟用聚丙烯短纤维熔融纺丝工艺各工序部件温度均降低20%，温度控制精度±1.5℃；

     温度是熔融纺丝的关键要素，由于聚乳酸切片的熔融温度比聚丙烯切片的熔融温度低20%左右，同时考虑到聚乳酸熔体的流动性，并兼顾聚乳酸的高温降解特性。因此，采用成熟的烟用聚丙烯纤维丝束熔融纺丝工艺技术纺制烟用聚乳酸纤维丝束，工艺变化不大，关键是要对各工序点的温度进行重新设定，并提高温度控制精度。聚丙烯切片的熔融纺丝温度287℃，聚乳酸切片的熔融纺丝温度230℃。两者熔融纺丝温度正好相差20%。一般聚丙烯熔融纺丝各工序温度控制点的温度控制精度±3℃，由于聚乳酸熔融纺丝对温度波动要求更加高，因此，把温度控制精度提高到±1.5℃。这样，可以基本依据聚丙烯切片熔融纺丝各工序温度控制参数，均做20%下调。温度控制精度均为±1.5℃；

b、纤维丝束拉伸水浴液采用橄榄油乳化液，乳化液温度：80℃±5℃；

c、丝束弯曲工序压辊的上辊温度50℃±3℃，下辊温度为：60℃±3℃；

d、采用同心圆喷丝板，喷丝板孔数10000——14000孔，每增加500孔为一个喷丝板规格；

e、喷丝板孔眼截面分X型和Y型，可在一个喷丝板上制作X型和Y型孔两种孔型，孔型均匀交叉分布；也可以采用模块化拼接，即把两种孔型的喷丝板拼接成一个喷丝板，可两个扇面、四个扇面、六个扇面或八个扇面拼接，不同孔型模板相互间隔；

f、烘干隧道采取上进风，下排风热风干燥方式，热风温度：45℃±3℃。

聚乳酸纤维烘干水分≤0.3%。聚乳酸纤维丝束的含水率要求十分严格，若含水率大，就会在预热时发生降解，影响纤维的物理特性。烘干后的的聚乳酸纤维丝束即可装箱供卷制滤嘴棒使用。

喷丝板的孔数是在孔径不变的前提下相对制定。喷丝板的孔数是在熔体单位挤出量不变的情况下，即总旦量确定，以及纤维拉伸倍数一致的条件下，调节丝束单旦量的重要技术手段。总旦不变，喷丝板孔数越多，单旦越低，纤维丝束的比表面积越大，填充性越高。因此可以通过控制总旦量和单旦量来改变纤维丝束的填充性能。进而控制滤嘴棒的硬度，吸阻，以及纤维丝束的产棒率等技术和经济指标。

二、纯聚乳酸丝束卷制的卷烟过滤嘴：

a、卷制过滤嘴硬度≥76%——＜80%，压降2800Pa±200Pa技术要求的过滤嘴，采用单层成型纸卷制过滤嘴，成型纸克重26g/㎡——36g/㎡，聚乳酸丝束总旦4.0dtex——4.2dtex，单旦3.0dtex——3.3dtex；

b、卷制过滤嘴硬度≥78%——＜82%，压降2800Pa±200Pa技术要求的过滤嘴，采用单层成型纸卷制过滤嘴，成型纸克重36g/㎡——48g/㎡，聚乳酸纤维丝束总旦3.8dtex——4.0dtex，单旦2.8dtex——3.2dtex；

c、卷制过滤嘴硬度≥80%——＜84%，压降2800Pa±200Pa技术要求的过滤嘴，采用双层成型纸卷制嘴棒，内层纸无搭口。外层成型纸纸26g/㎡——34g/㎡，内层成型纸20g/㎡——22g/㎡，聚乳酸纤维丝束总旦3.6dtex——3.8dtex，单旦2.6dtex——3.0dtex；

d、卷烟过滤嘴硬度≥84%，采用双层成型纸卷制嘴棒，内层纸为瓦楞纸，内层纸无搭口，瓦楞纸80 g/㎡——85 g/㎡，外成型纸26 g/㎡，聚乳酸纤维丝束总旦3.4dtex——3.6dtex，单旦2.5dtex——3.0dtex；

e、卷制硬度≥82%，压降3000Pa±200Pa规格的、丝束中包裹活性炭粉末或其它固体粒相粉末材质的过滤嘴，采用单层成型纸卷制过滤嘴，成型纸克重24g/㎡——30g/㎡，聚乳酸纤维丝束总旦3.3dtex——3.6dtex，单旦2.5dtex——3.2dtex。

嘴棒成型机烟枪温度≤48℃，烙铁温度≤80℃，纯聚乳酸丝束开松度参照二醋酸纤维丝束的开松度。

三、纯聚乳酸丝束卷制的卷烟过滤嘴，可以用作二元和三元复合过滤嘴的基棒。

Claims (5)

1.纯聚乳酸丝束，其特征在于：采用L-聚乳酸做纺丝原料制成，L-聚乳酸分子量＞13万。

2.根据权利要求1所述的纯聚乳酸丝束，其特征在于：采用L-聚乳酸和D-聚乳酸混合的纺丝原料制成，其中L-聚乳酸占总重量90%—98%，D-聚乳酸占2%—8%。

3.纯聚乳酸丝束的制备方法，采用权利要求1或2所述的纯聚乳酸为纺丝原料，利用现有的两步法烟用聚丙烯短纤维熔融纺丝工艺，来纺制纯聚乳酸丝束，其特征在于：

a、螺杆加热区温度、法兰区温度、弯管温度、纺丝熔体箱温度，喷丝板温度等纺丝工艺各工序段部件温度，相对于烟用聚丙烯短纤维熔融纺丝工艺各工序部件温度均降低20%，温度控制精度±1.5℃；

b、纤维丝束拉伸水浴液采用橄榄油乳化液，乳化液温度：80℃±5℃；

c、丝束弯曲工序压辊的上辊温度50℃±3℃，下辊温度为：60℃±3℃；

d、采用同心圆喷丝板，喷丝板孔数10000—14000孔，每增加500孔为一个喷丝板规格；

e、喷丝板孔眼截面分X型和Y型，可在一个喷丝板上制作X型和Y型孔两种孔型，孔型均匀交叉分布；也可以采用模块化拼接，即把两种孔型的喷丝板拼接成一个喷丝板，可两个扇面、四个扇面、六个扇面或八个扇面拼接，不同孔型模板相互间隔；

f、烘干隧道采取上进风，下排风热风干燥方式，热风温度：45℃±3℃。

4.纯聚乳酸丝束卷烟过滤嘴，其特征在于：

a、卷制过滤嘴硬度≥76%—＜80%，压降2800Pa±200Pa技术要求的过滤嘴，采用单层成型纸卷制过滤嘴，成型纸克重26g/㎡—36g/㎡，聚乳酸丝束总旦4.0dtex—4.2dtex，单旦3.0dtex—3.3dtex；

b、卷制过滤嘴硬度≥78%—＜82%，压降2800Pa±200Pa技术要求的过滤嘴，采用单层成型纸卷制过滤嘴，成型纸克重36g/㎡—48g/㎡，聚乳酸纤维丝束总旦3.8dtex—4.0dtex，单旦2.8dtex—3.2dtex；

c、卷制过滤嘴硬度≥80%—＜84%，压降2800Pa±200Pa技术要求的过滤嘴，采用双层成型纸卷制嘴棒，内层纸无搭口，外层成型纸纸26g/㎡—34g/㎡，内层成型纸20g/㎡—22g/㎡，聚乳酸纤维丝束总旦3.6dtex—3.8dtex，单旦2.6dtex—3.0dtex；

d、卷烟过滤嘴硬度≥84%，采用双层成型纸卷制嘴棒，内层纸为瓦楞纸，内层纸无搭口，瓦楞纸80 g/㎡—85 g/㎡，外成型纸26 g/㎡，聚乳酸纤维丝束总旦3.4dtex—3.6dtex，单旦2.5dtex—3.0dtex；

e、卷制硬度≥82%，压降3000Pa±200Pa规格的、丝束中包裹活性炭粉末或其它固体粒相粉末材质的过滤嘴，采用单层成型纸卷制过滤嘴，成型纸克重24g/㎡—30g/㎡，聚乳酸纤维丝束总旦3.3dtex—3.6dtex，单旦2.5dtex—3.2dtex。

5.根据权利要求4所述的纯聚乳酸丝束卷制的卷烟过滤嘴，其特征在于：纯聚乳酸丝束卷制的卷烟过滤嘴，可以用作二元和三元复合过滤嘴的基棒。