CN103159224B - 一种全硅型无定形多孔材料的制备方法及其在卷烟滤嘴中的应用 - Google Patents
一种全硅型无定形多孔材料的制备方法及其在卷烟滤嘴中的应用 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种全硅型无定形多孔材料的制备方法及其在卷烟滤嘴中的应用，制备全硅型多孔材料采用十六烷基三甲基溴化铵为模板剂，通过引入醚类物质减弱模板剂的导向作用，将硅源的10～20%预水解，并用碱液实现对材料的刻蚀，最终以水热合成法一步合成；将合成的多孔材料在卷烟滤嘴的生产过程中直接加入滤棒中，用量为2-25mg/支卷烟。所制备的卷烟滤嘴可对烟气中的有害成分主要是挥发性羰基化合物、烟草特有亚硝胺、苯酚等进行选择性吸附，吸附量较现有技术有显著提高，且较多的保留烟气中的香吃味成份，具有较好的感官品质。
Description
技术领域
本发明涉及一种多孔吸附剂的制备方法及其在卷烟滤嘴中的应用，具体涉及一种全硅型无定形多孔材料的制备方法及其在卷烟滤嘴中的应用。
背景技术
卷烟主流烟气是一个不断变化的极为复杂的化学体系，目前已知卷烟烟气中的化合物有4000多种。其中，挥发性羰基化合物、烟草特有亚硝胺（TSNAs）和苯酚被认为是主流烟气中对人体具有危害的物质，已被列入卷烟烟气中七种有害物质名录。研究表明，卷烟烟气中主要挥发性羰基化合物，特别是包括甲醛、乙醛、丙酮、丙烯醛、丙醛、巴豆醛、2-丁酮和丁醛等八种挥发性醛酮对人体眼睛、皮肤和呼吸道具有强烈的刺激作用；甲醛、丙烯醛和巴豆醛还具有呼吸道纤毛毒性。烟草特有亚硝胺（TSNAs）主要包括N-亚硝基降烟碱（NNN）、N-亚硝基新烟草碱（NAT）、N-亚硝基假木贼碱（NAB）和4-（N-甲基亚硝胺）-1-（3-吡啶基）-1-丁酮（NNK）等四种化合物。动物实验已证实，TSNAs具有强烈的致癌作用，尤其是NNN和NNK不仅是强有力的器官特定致癌物，也是接触性致癌物，与口腔、食道、肺部和肝脏等部位肿瘤的产生有关。酚类化合物，例如苯酚、邻-、间-、对-甲酚等具有明显的促癌作用，同时对皮肤、粘膜有强烈的腐蚀作用，可以抑制中枢神经系统或损害肝、肾功能。随着中国签署《烟草控制框架公约》，“吸烟与健康”问题越来越受到公众的关注。因此，大力发展卷烟减害降焦技术，通过选择性降低卷烟烟气中有害物质含量将是卷烟工业减害工作的研究重点。
目前，随着材料制备技术的发展，采用多孔材料作为卷烟滤嘴添加剂已经成为本领域的研究热点。前期研究主要集中在多孔材料对卷烟烟气中焦油含量的降低。然而“降焦”并不完全等同于“减害”，单纯降焦会同时损失烟气中的香吃味成分，反而容易降低卷烟的吸食品质。因此，近期研究多集中于多孔材料对卷烟烟气中有害成分的选择性吸附去除。在申请号为201110241462.9的中国专利中冯守爱等报道了在普通醋纤滤棒中添加了复合纳米SiO2粒子，可以分别选择性吸附烟气中10.3%的巴豆醛和20.1%的苯酚。在专利号为ZL200710055008.8的中国专利中赵瑞花等制备了改性磷酸铝分子筛，通过与烟丝混合，可以将卷烟烟气中8种挥发性羰基化合物的总量降低14.51%左右。在申请号为200610083014.x的中国专利中聂聪等将具有多孔结构的载体材料经γ-乙二胺丙基三甲氧基硅烷衍生化处理后，制备出滤嘴添加剂，按照每支卷烟添加35mg多孔材料，可以将卷烟主流烟气中的挥发性羰基化合物含量降低14%-21%。在专利号为ZL200910216346.4的中国专利中孟昭宇等选择MCM-41、SBA-15等中孔分子筛，通过使用有机硅烷偶联剂对中孔分子筛进行表面修饰制得一系列多孔吸附剂，这种吸附剂添加到卷烟滤嘴中制成的复合嘴棒可以降低烟气中的焦油、低分子醛酮、亚硝胺、稠环芳烃等有害物质，同时可以改善卷烟的感官品质。现有卷烟滤嘴用介孔吸附材料的合成方法通常是将模板剂、硅源、碱液和水按照一定比例进行混合，经过水热合成制备而成；或者对现有介孔材料进行表面改性而成；而微孔/介孔复合材料的合成则通常是在介孔材料合成过程中外源添加合成微孔材料的模板剂进行二次合成，最终形成微孔/介孔复合材料。同时，目前所公开的各种吸附剂，对挥发性羰基化合物尤其是巴豆醛、烟草特有亚硝胺或苯酚的吸附量都在20%左右或以下，无法达到更好的吸附效果，减害效果还需要进一步优化。
发明内容
本发明要解决的第一个技术问题是一种全硅型无定形多孔材料的制备方法。
本发明要解决的第二个技术问题是所制备的全硅型无定形多孔材料在卷烟滤嘴中的应用，进一步提高卷烟滤嘴对挥发性羰基化合物、烟草特有亚硝胺和/或苯酚的选择性吸附效果，在减少烟气对人体伤害的同时，尽量保持香烟的香吃味。
为了解决上述第一个技术问题，本发明采用的技术手段如下：
一种全硅型无定形多孔材料的制备方法，以十六烷基三甲基溴化铵为模板剂（以下简称为CTAB），通过引入醚类物质减弱模板剂的导向作用，将硅源的10～20%预水解，并用碱液实现对材料的刻蚀，最终以水热合成法一步合成，具体包括如下步骤：
（1）以水为溶剂，按照水质量的0.5%-1.0%称取CTAB，水质量的2.5-5.0%称取硅源；
（2）预先将醚类物质和硅源按照质量比10:1-10:2混合均匀，通过滴加酸类物质对硅源的10～20%预水解，再将该混合溶液逐步滴加至CTAB水溶液中，并充分搅拌形成溶胶；
（3）在溶胶中加入碱性溶液调节pH值至8.5-12；
（4）室温下对所得溶胶充分搅拌6-13h，然后在80℃-150℃下陈化15h-30h；
（5）陈化完毕后将溶胶进行过滤和水洗，并在空气条件下干燥10h-28h；
（6）干燥后所得粉末状样品在氧化气氛下于500℃-650℃下焙烧2h-8h，获得最终多孔材料。
优选地，所述硅源包括活性二氧化硅、硅酸四乙酯或硅溶胶。
优选地，所述醚类物质包括甲乙醚、乙醚或正丙醚。
优选地，所述酸类物质包括盐酸、硫酸或磷酸。
所述碱性溶液包括氢氧化钠水溶液、氢氧化钾水溶液、氨水或碳酸钠水溶液。
所述氧化气氛包括空气或者氧气。
为了解决上述第二个技术问题，本发明对一种全硅型无定形多孔材料在卷烟滤嘴中的应用如下：制备卷烟滤嘴的均质滤棒过程中，或者制备二元、三元复合滤棒的基材滤棒过程中，在卷烟滤嘴中添加多孔材料。
优选地，所述多孔材料的用量为2-25mg/支卷烟。
优选地，所述的均质滤棒包括醋酸纤维滤棒、聚丙烯纤维滤棒或纸质滤棒。
优选地，所述的二元复合滤棒的基材滤棒包括醋酸纤维滤棒、聚丙烯纤维滤棒、纸质滤棒中的两种，所述三元复合滤棒的基材滤棒包括醋酸纤维滤棒、聚丙烯纤维滤棒和纸质滤棒。
本发明的有益效果是：
（1）本发明所制备的全硅型无定形多孔材料改变了常用的合成路径，初期无需加入碱液，通过添加醚类物质减弱模板剂的导向性，采用酸类物质对硅源进行部分预水解，并在硅源开始在模板剂上生长聚合后才逐步加入碱液，对材料进行刻蚀，保证介孔和微孔的同步生成，最终通过水热合成一步制备所需材料。与现有方法相比，所用原料简单，突出了醚类物质对模板剂导向性的影响，以及碱液添加时机和用量对介孔和微孔的同步生成的关键作用。最终制备出完全不同于具有规则孔结构MCM-41的多孔材料；
（2）能显著降低卷烟烟气中主要挥发性羰基化合物、烟草特有亚硝胺和/或苯酚的含量，对挥发性羰基化合物中巴豆醛的吸附量从现有技术中的20.1%提高到45%，对烟草特有亚硝胺的吸附量从现有技术中的26.1%提高到26.7%，对苯酚的吸附量从现有技术中的20.1%提到的26.7%；
（3）多孔材料的添加量少，有利于降低烟气中刺激性物质含量，同时不会过度降低卷烟的香味成分，改善卷烟的香吃味，实际生产应用可行性大；
（4）多孔材料的添加方式简单，可在滤棒生产过程中直接加入，操作方便，易于进行大规模生产，能产生较好的经济效益和社会效应。
附图说明
本发明所包含的附图用于提供对本发明的进一步理解。
在附图中：
图1：实施例1所制备的全硅型无定形多孔材料CTN1的扫描电镜图像；
图2：实施例2所制备的全硅型无定形多孔材料CTN2的扫描电镜图像。
具体实施方式
为了更好的理解本发明，下面结合实施例对本发明做进一步的说明，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
实施例1
1、水热合成法制备全硅型无定形多孔材料：将0.25g十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）完全溶解在35g去离子水中，记为溶液A；将10g乙醚与1.2g硅酸四乙酯（TEOS）混合均匀，逐步滴加20mL0.2mol/L盐酸溶液，14～16%的TEOS实现预水解，记为溶液B。在强烈搅拌下，将溶液B滴加进溶液A中，再用0.5M的碳酸钠调节该溶液至pH值为9.0。将形成的溶胶转移至密闭容器中，在室温下搅拌12h，然后在100℃下陈化24h。过滤反应产物，并用去离子水充分洗涤，空气中干燥15h至粉末。在550℃下通氮气焙烧5h，获得多孔材料，记为CTN1。CTN1的比表面积及孔结构数据如表1所示，扫描电镜图像如图1所示。
表1CTN1多孔材料微结构数据
| 样品 | SBET(m2/g) | Smicro(m2/g) | Vp(mL/g) | Vmicro(mL/g) | Dp(nm) |
| CTN1 | 520 | 30 | 0.84 | 0.0036 | 5.0 |
2、全硅型无定形多孔材料在卷烟滤棒中的应用：将上述所制备的CTN1多孔材料以10mg/支卷烟的水平添加到滤嘴中，制成试验卷烟，与对照卷烟做对比实验。对照卷烟除了不含添加剂外，其它如卷烟材辅料、尺寸规格、滤棒等均与试验卷烟完全相同。滤棒为醋酸纤维滤棒。
将试验卷烟和对照卷烟用BorgwaldtRM20H型吸烟机在标准条件下抽吸，收集烟气成分，然后分别按照《YC/T254-2008卷烟主流烟气中主要羰基化合物的测定HPLC》、《YQ/T17-2012卷烟主流烟气总粒相物中烟草特有N-亚硝胺的测定高效液相色谱-串联质谱联用法》以及《YCT255-2008卷烟主流烟气中主要酚类化合物的测定高效液相色谱法》对烟气中主要挥发性羰基化合物、烟草特有亚硝胺和苯酚进行测定，具体检测数据如表3-表5所示。
表3CTN1降低卷烟主流烟气中主要挥发性羰基化合物效果
| 样品 | 甲醛 | 乙醛 | 丙酮 | 丙烯醛 | 丙醛 | 巴豆醛 | 2-丁酮 | 丁醛 |
| 对照卷烟(μg/cig) | 102.99 | 585.12 | 271.38 | 72.10 | 45.23 | 18.93 | 66.85 | 30.47 |
| 添加CTN1卷烟(μg/cig) | 67.44 | 503.21 | 171.60 | 55.15 | 39.00 | 10.35 | 37.26 | 23.80 |
| 降低幅度(%) | 34.52 | 14.00 | 36.77 | 23.51 | 13.77 | 45.32 | 44.26 | 21.89 |
表4CTN1降低卷烟主流烟气中烟草特有亚硝胺效果
| 样品 | NNN | NNK | NAT | NAB |
| 对照卷烟(ng/cig) | 5.16 | 4.58 | 8.76 | 1.20 |
| 添加CTN1卷烟(ng/cig) | 3.94 | 3.57 | 5.78 | 1.14 |
| 降低幅度(%) | 23.64 | 22.05 | 34.02 | 5.00 |
表5CTN1降低卷烟主流烟气中苯酚效果
| 样品 | 苯酚 |
| 对照卷烟(μg/cig) | 29.13 |
| 添加CTN1卷烟(μg/cig) | 21.35 |
| 降低幅度(%) | 26.71 |
表3-表5中数据显示，多孔材料CTN1对卷烟烟气中三类有害物质的含量均有显著的降低效果。在挥发性羰基化合物中，CTN1对巴豆醛、2-丁酮以及丙酮和甲醛的选择性较高，降低幅度达到30%-45%。对烟草特有亚硝胺中的NNK、NNN和NAT也有较好的去除作用。对苯酚的降低幅度可达26.71%。说明该材料具有选择性降低烟气中有害物质的性质，且对选择性吸附的有害气体效果明显。
实施例2
1、水热合成法制备全硅型无定形多孔材料：将0.25g十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）完全溶解在35g去离子水中，记为溶液A；将10g甲乙醚和1.75g硅溶胶混合，并逐步滴加5mL0.2mol/L磷酸溶液，14～16%的TEOS实现预水解，记为溶液B。在强烈搅拌下，将溶液B滴加进溶液A中，再用浓度为0.1M的NaOH溶液调节该溶液至pH值为12.0。将形成的溶胶转移至密闭容器中，在室温下搅拌10h，然后在120℃下陈化20h。过滤反应产物，并用去离子水充分洗涤，空气中干燥20h至粉末。在600℃下通氧气焙烧8h，获得多孔材料，记为CTN2。CTN2的比表面积及孔结构数据如表2所示，扫描电镜图像如图2所示。
表2CTN2多孔材料微结构数据
| 样品 | SBET(m2/g) | Smicro(m2/g) | Vp(mL/g) | Vmicro(mL/g) | Dp(nm) |
| CTN2 | 480 | 89 | 1.33 | 0.045 | 4.0 |
2、全硅型无定形多孔材料在卷烟滤棒中的应用：将上述制备的CTN2多孔材料以15mg/支卷烟的水平添加到滤嘴中，制成试验卷烟，与对照卷烟做对比实验。对照卷烟除了不含添加剂外，其它如卷烟材辅料、尺寸规格、滤棒等均与试验卷烟完全相同。滤棒为醋酸纤维滤棒。
将试验卷烟和对照卷烟用BorgwaldtRM20H型吸烟机在标准条件下抽吸，收集烟气成分，然后分别按照《YC/T254-2008卷烟主流烟气中主要羰基化合物的测定HPLC》、《YQ/T17-2012卷烟主流烟气总粒相物中烟草特有N-亚硝胺的测定高效液相色谱-串联质谱联用法》以及《YCT255-2008卷烟主流烟气中主要酚类化合物的测定高效液相色谱法》对烟气中主要挥发性羰基化合物、烟草特有亚硝胺和苯酚进行测定，具体检测数据如表6-表8所示。
表6CTN2降低卷烟主流烟气中主要挥发性羰基化合物效果
| 样品 | 甲醛 | 乙醛 | 丙酮 | 丙烯醛 | 丙醛 | 巴豆醛 | 2-丁酮 | 丁醛 |
| 对照卷烟(μg/cig) | 102.99 | 585.12 | 271.38 | 72.10 | 45.23 | 18.93 | 66.85 | 30.47 |
| 添加CTN2卷烟(μg/cig) | 78.35 | 577.15 | 202.52 | 59.00 | 38.87 | 12.89 | 48.85 | 24.90 |
| 降低幅度(%) | 23.92 | 1.36 | 25.37 | 18.17 | 14.06 | 31.91 | 26.93 | 18.28 |
表7CTN2降低卷烟主流烟气中烟草特有亚硝胺效果
| 样品 | NNN | NNK | NAT | NAB |
| 对照卷烟(ng/cig) | 5.16 | 4.58 | 8.76 | 1.20 |
| 添加CTN2卷烟(ng/cig) | 4.62 | 3.87 | 7.36 | 1.16 |
| 降低幅度(%) | 10.47 | 15.50 | 15.98 | 3.33 |
表8CTN2降低卷烟主流烟气中苯酚效果
| 样品 | 苯酚 |
| 对照卷烟(μg/cig) | 29.13 |
| 添加CTN2卷烟(μg/cig) | 24.43 |
| 降低幅度(%) | 16.13 |
表6-表8中数据显示，多孔材料CTN2对卷烟烟气中三类有害物质也具有一定的去除作用，其中巴豆醛降低31.91%、NNK降低15.5%、苯酚降低16.13%。说明该材料具有选择性吸附烟气中有害物质的性质，且对选择性吸附的有害气体效果明显。
对比例1
同实施例1，所不同的是，不添加乙醚，只向1.2g硅酸四乙酯中逐步滴加5mL0.2mol/L盐酸溶液，记为溶液B，其余步骤相同。所制备的多孔材料记为CTN3。
对比例2
同实施例1，所不同的是，将10g乙醚和1.2g硅酸四乙酯混合后直接加入溶液A中，而不进行预混，其余步骤相同。所制备的多孔材料记为CTN4。
对比数据：
1、与现有技术的吸附数据对比：
申请号为201110241462.9的中国专利中公开了采用改性纳米SiO2作为滤嘴添加材料，其烟气中巴豆醛的含量从23.59μg/cig降低至21.16μg/cig，苯酚含量从15.11μg/cig降低至12.08μg/cig。同为全硅型无定形材料，本专利所制备的CTN1样品，以10mg/cig添加进卷烟滤嘴中，烟气中巴豆醛含量从18.93μg/cig降低至10.35μg/cig，苯酚含量从29.13μg/cig降低至21.35μg/cig。虽然本专利所用对照卷烟与申请号为201110241462.9的中国专利的测试有所不同，但是如果进行等比例换算，将本专利中原样的巴豆醛和苯酚含量分别折算成23.59μg/cig和15.11μg/cig，那么滤嘴中添加CTN1样品后，烟气中巴豆醛和苯酚的含量将分别降低至12.09μg/cig和11.07μg/cig，其效果优于申请号为201110241462.9的中国专利所述纳米SiO2材料的吸附作用。
2、实施例与对比例的对比：
将实施例1制备的CTN1与对比例1、2制备的CTN3、CTN4用BorgwaldtRM20H型吸烟机在标准条件下抽吸，收集烟气成分，然后分别按照《YC/T254-2008卷烟主流烟气中主要羰基化合物的测定HPLC》、《YQ/T17-2012卷烟主流烟气总粒相物中烟草特有N-亚硝胺的测定高效液相色谱-串联质谱联用法》以及《YCT255-2008卷烟主流烟气中主要酚类化合物的测定高效液相色谱法》对烟气中主要挥发性羰基化合物、烟草特有亚硝胺和苯酚进行测定，具体检测数据如表9-表11所示。
表9CTN系列降低卷烟主流烟气中主要挥发性羰基化合物效果对比
表10CTN系列降低卷烟主流烟气中烟草特有亚硝胺效果对比
表11CTN系列降低卷烟主流烟气中苯酚效果对比
表9-表11中数据显示，CTN3和CTN4样品对烟气中三种有害物质有一定的去除效果，其中对巴豆醛的去除率约在20%左右，对NNN和NNK的去除率在10%左右，对苯酚的去除率在13%-16%之间。但是与CTN1样品相比，CTN3和CTN4的整体去除效果略差。这表明合成条件对样品的减害效果有关键影响，添加醚类物质和采用酸溶液对硅源进行部分预水解，有利于样品形成复合孔道结构，增加样品对烟气中有害物质的选择性吸附作用。
3、香吃味评价结果对比：
分别将CTN1和CTN2样品按照每支卷烟10mg的量添加进卷烟滤嘴中，经由具有烟草行业国评资格的评委7人评吸，评吸结果见表12。
表12添加CTN吸附材料的卷烟和空白卷烟对比评吸结果
从表12中结果可以看出，添加CTN系列样品的卷烟，其烟气香气质和香气量均与空白对照卷烟区别不大，但是烟气更加饱满、甜润、细腻，同时余味纯净、舒适，杂气和刺激性明显降低，对于提升烟气品质有较大优势。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。
Claims (9)
1.一种全硅型无定形多孔材料的制备方法，其特征在于：以十六烷基三甲基溴化铵为模板剂，通过引入醚类物质减弱模板剂的导向作用，将硅源的10～20％预水解，并用碱液实现对材料的刻蚀，最终以水热合成法一步合成；
具体包括如下步骤：
(1)以水为溶剂，按水质量的0.5％-1.0％称取CTAB，按水质量的2.5-5.0％称取硅源；
(2)预先将醚类物质和硅源按照质量比10:1-10:2混合均匀，通过滴加酸类物质对硅源的10～20％进行预水解，再将该混合溶液逐步滴加至CTAB水溶液中，并充分搅拌形成溶胶；
(3)在溶胶中加入碱性溶液调节pH值至8.5-12；
(4)室温下对所得溶胶充分搅拌6-13h，然后在80℃-150℃下陈化15h-30h；
(5)陈化完毕后将溶胶进行过滤和水洗，并在空气条件下干燥10h-28h；
(6)干燥后所得粉末状样品在氧化气氛下于500℃-650℃下焙烧2h-8h，获得最终多孔材料；
所述醚类物质包括甲乙醚、乙醚或正丙醚。
2.如权利要求1所述的一种全硅型无定形多孔材料的制备方法，其特征在于，所述硅源包括活性二氧化硅、硅酸四乙酯或硅溶胶。
3.如权利要求1所述的一种全硅型无定形多孔材料的制备方法，其特征在于，所述酸类物质包括盐酸、硫酸或磷酸。
4.如权利要求1所述的一种全硅型无定形多孔材料的制备方法，其特征在于，所述碱性溶液包括氢氧化钠水溶液、氢氧化钾水溶液、氨水或碳酸钠水溶液。
5.如权利要求1所述的一种全硅型无定形多孔材料的制备方法，其特征在于，所述氧化气氛包括空气或者氧气。
6.一种如权利要求1所述的全硅型无定形多孔材料在卷烟滤嘴中的应用，其特征在于：制备卷烟滤嘴的均质滤棒过程中，或者制备二元、三元复合滤棒的基材滤棒过程中，在卷烟滤嘴中添加所述多孔材料。
7.如权利要求6所述的一种全硅型无定形多孔材料在卷烟滤嘴中的应用，其特征在于，所述多孔材料的用量为2-25mg/支卷烟。
8.如权利要求6所述的一种全硅型无定形多孔材料在卷烟滤嘴中的应用，其特征在于，所述的均质滤棒包括醋酸纤维滤棒、聚丙烯纤维滤棒或纸质滤棒。
9.如权利要求6所述的一种全硅型无定形多孔材料在卷烟滤嘴中的应用，其特征在于，所述的二元复合滤棒的基材滤棒包括醋酸纤维滤棒、聚丙烯纤维滤棒、纸质滤棒中的两种，所述三元复合滤棒的基材滤棒包括醋酸纤维滤棒、聚丙烯纤维滤棒和纸质滤棒。
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