CN103625089A - 纳米纤维膜改性纤维素成型纸的制备方法及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了纳米纤维膜改性纤维素成型纸的制备方法及其应用，纳米纤维膜改性纤维素成型纸的制备方法是将聚合物原料溶于溶剂配成纺丝液后，置于储液装置中；调节静电纺丝电压后，将储液罐中的纺丝液通过微量泵连续供给储液装置相连的喷丝头；所述纺丝液通过喷丝头喷向连续移动的普通纤维素成型纸基体表面形成纳米纤维膜，即得纳米纤维膜改性纤维素成型纸；该制备方法简单，可以连续化工业生产；制得的纳米纤维膜改性纤维素成型纸应用于制备不影响卷烟吸食品质、且有效降低卷烟主流烟气中巴豆醛和NH₃释放量的卷烟沟槽滤棒。

Description

纳米纤维膜改性纤维素成型纸的制备方法及其应用

技术领域

本发明涉及一种纳米纤维膜改性纤维素成型纸的制备方法及其应用，属于烟草滤材领域。

背景技术

滤棒设计是卷烟降焦减害的关键设计环节，可通过滤嘴构成要素变化、沟槽设计、成形纸设计等有效地实现主流烟气气溶胶中有害物质的吸入量调控，成为目前各卷烟企业实现“降焦减害”的有效途径，也是各企业技术创新的突破口。相对于目前普遍使用的二醋酸纤维滤棒，纯木浆或麻浆纸质滤棒具有明显的降低烟气焦油、价格便宜的优点，并且更加环保，但是，纸质滤棒在卷烟燃吸过程中产生塌陷、烟气发干、有明显纸味等缺点。

随着世界反烟运动的日益高涨和消费者对吸烟与健康问题关注的普遍增强，烟草行业一直致力于降低卷烟的吸食危害性，因此，新型的纸质滤棒的研究重新受到的人们的关注。中国专利CN101032347公开的方法中，将醋酸纤维浆液与其他纤维的浆液混合共同制造纸质滤棒所需用的纸。这种方法需要的醋酸纤维的量大，不利于降低成本，并且需要特殊改造的成型机才能加工出滤棒。

电纺丝是利用高压静电的拉伸使聚合物溶液或烧融液形成喷射细流并从喷丝孔喷射而形成聚合物纳米纤维过程。通过改变静电纺丝纳米纤维的组成，可以得到不同物理化学性质的纤维。这可以通过在纺丝液中添加多种组分来实现，每种所添加的组分可以使产品具有一种特定的理想性能；也可以通过从多种原料液纺丝，从而使含不同成分的纤维同时沉积形成敷料，形成的敷料也就包含了不同材料的纤维。静电纺纳米纤维具有特殊的结构与性能，如：形成的纤维重量轻、渗透性好、比表面积大、孔隙率高、内部空隙的连通性好、容易与纳米级的化学物质或功能性物质相结合等，使其过滤效率较之常规过滤材料大大提高。

发明内容

本发明的目的是在于提供一种方法简单、原料廉价、可连续工业化生产的制备纳米纤维膜纤维素改性成型纸的方法，该方法制得的纳米纤维膜改性纤维素成型纸具有对烟气中的巴豆醛和NH₃具有特殊的选择吸附性作用。

本发明的另一个目的是在于提供所述纳米纤维膜改性纤维素成型纸的应用，将所述纳米纤维膜改性纤维素成型纸应用于制备不影响卷烟吸食品质、且有效降低卷烟主流烟气中巴豆醛和NH₃释放量的卷烟沟槽滤棒。

本发明提供了纳米纤维膜改性纤维素成型纸的制备方法，该制备方法是将聚合物原料溶于溶剂配成纺丝液后，置于储液装置中；调节静电纺丝电压为15～25KV后，将储液罐中的纺丝液通过微量泵连续供给储液装置相连的喷丝头；所述纺丝液通过喷丝头以0.5～4.0mL/h的速度喷向距离喷丝头10～20cm，且连续移动的普通纤维素成型纸基体表面形成纳米纤维膜，即得纳米纤维膜改性纤维素成型纸；所述的储液装置上相连有若干组喷丝头，其中，每组为15～25个喷丝头，一组喷丝头为一个回路，所述喷丝头在各自的回路中匀速转动；所述的聚合物原料与溶剂的质量比为3～30:95～70；所述的聚合物原料为聚乙烯缩丁醛、聚丙烯晴、聚乙烯醇、醋酸纤维素、葡萄糖胺、聚乙二醇、聚己内酯、聚丙烯酰胺、弹性蛋白、聚芳酰胺中的一种或几种；所述聚丙烯酰胺包括阳离子型和阴离子型聚丙烯酰胺；所述聚乙二醇包括聚乙二醇600、聚乙二醇1000、聚乙二醇3000。

所述的溶剂根据聚合物原料的溶解性相应地选择能溶解聚合物原料所需的溶剂。

所述的溶剂包括乙醇、丙酮、水、二氯甲烷、乙酸、三氟乙酸、二甲基甲酰胺、三乙醇胺中的一种或几种；所述的溶剂在制备静电纺丝纤维过程中挥发，得到纳米纤维。

所述的纳米纤维膜中纳米纤维丝直径为300nm～2μm。

所述的纳米纤维膜在普通纤维素成型纸基体表面的喷覆量为0.05～1.0g/m²。

本发明的静电纺丝装置主要包括连有喷丝头的储液装置、高压电源、接收装置。

所述的接收装置的接收基体为制备卷烟沟槽滤棒用的普通纤维素成型纸；普通纤维素成型纸的定量为80±1g/m²，普通纤维素成型纸的长度为4800±20米/卷。

本发明还提供了所述的制备方法制得的纳米纤维膜改性纤维素成型纸的应用，该应用是将所述纳米纤维膜改性纤维素成型纸应用于制备降低卷烟主流烟气中巴豆醛和NH₃释放量的卷烟滤棒。

所述的纳米纤维膜改性纤维素成型纸制备成沟槽槽型，再和滤棒丝束基材制成卷烟沟槽滤棒。

本发明的纳米纤维膜改性纤维素成型纸单面喷覆有纳米纤维膜，将其通过滤棒成型机上进行沟槽滤棒成型时使纳米纤维膜改性纤维素成型纸具有纳米纤维膜的一面朝向丝束。

本发明的有益效果：本发明首次通过静电纺丝技术将制得的纳米纤维均匀喷覆在普通纤维素成型纸表面，获得的纳米纤维膜改性纤维素成型纸具有超薄且厚度均匀的纳米纤维膜，而纳米膜具有特殊的孔系结构，对烟气中的巴豆醛和NH₃具有特殊的选择性吸附效果，将喷覆了单面纳米纤维膜的改性纤维素成型纸用于制备滤棒，特别是制成沟槽滤棒时，能改善卷烟吸食品质、有效降低卷烟主流烟气中巴豆醛和NH₃释放量。本发明通过选择合适的聚合物原料及合适配比的纺丝液，再结合了本发明制备方法的工艺参数制备出来的纳米纤维直径一般均匀分布在300nm～2μm之间，且纳米纤维错综复杂喷覆在普通纤维素成型纸上构筑成厚度均匀，并具有一定孔隙的孔结构，研究发现这些孔结构对巴豆醛和NH₃具有很好的物理吸附能力，同时采用的聚合物原料纺丝后能对烟气中巴豆醛和NH₃产生很好的分子间作用力，大大增加了对烟气中巴豆醛和NH₃的选择性吸附能力；此外，纳米纤维膜改性成型纸制得的沟槽滤嘴对卷烟吸食品质无负面影响；本发明的制备方法简单，可以进行连续化工业生产。实验结果表明：与普通纤维素成型纸制得的沟槽滤嘴对照样相比，烟气有害成分巴豆醛可降低25～38%，烟气有害成分NH₃可降低17～25%，且对烟气内在吸食品质没有负面影响。

具体实施方式

以下实施例是对本发明的进一步说明，而不是限制本发明保护的范围。

实施例1

电纺丝纳米纤维膜改性纤维素纸的制备：

单独对聚己内酯溶液进行纺丝。电纺在一电纺室内进行。将聚己内酯溶于丙酮制备成20%（V/V）的溶液，置于储料罐中，通过微量泵以每个泵4mL/h的速度向400个电纺喷头进行料液供给，电纺电压为22KV，喷头与纸基之间距离为18.2cm，电纺环境温度为50℃，每组电纺喷头为20个喷头，每组喷头形成一个回路，每组喷头在回路中连续匀速转动，以使得电纺丝在接收基材上均匀。电纺室一端连续通入空气，另一端将混有溶剂的空气从电纺室排出后进行溶剂回收。以纤维素纸为基体接收聚己内酯纳米纤维，在纤维素纸上制备出直径约1μm的白色纳米纤维。制备成含电纺丝纳米纤维膜改性纤维素成型纸，纳米纤维膜在纸质基材上的喷覆量约为1.0g/m².。

功能电纺丝纤维素纸沟槽滤棒及卷烟制备与烟气分析：

将含电纺丝纳米纤维膜改性纤维素纸在滤棒成型机上替代原有的纤维素纸进行沟槽滤棒成型，然后在卷烟机上进行试制卷烟卷接。将对照样和试制样进行卷烟烟气常规分析和有害分析，结果表明，在纤维素成型纸上采用电纺丝的方法在其表面电纺出一层纳米聚己内酯纤维，可以降低烟气巴豆醛25.0%，同时烟气有害成分NH₃降低达到18.6%。烟气评析结果表明试制样与对照样烟气内在吸食品质一致，没有负面影响。

实施例2

电纺丝纳米纤维膜改性纤维素纸的制备：

单独对聚乙烯缩丁醛（PVB）溶液进行纺丝。电纺在实施例1中的电纺室进行。纺丝设备与实施例1相同。将聚乙烯缩丁醛（PVB）溶于乙醇制备成8%（W/W）的溶液，在室温下，使用25KV的电压和15cm的固化距离，纺丝液的推进速度为2mL/h，对其进行纺丝，以纤维素纸为基体接收聚乙烯缩丁醛纳米纤维，在纤维素纸上制备出直径约为500nm的白色纳米纤维。制备成含电纺丝纳米纤维膜改性纤维素成型纸，纳米纤维膜在纸质基材上的喷覆量约为0.5g/m².。

功能电纺丝纤维素纸沟槽滤棒及卷烟制备与烟气分析：

含电纺丝纳米纤维膜改性纤维素纸沟槽滤棒成型和试制卷烟卷接及卷烟烟气常规分析和有害分析，与实施例1中的功能电纺丝纤维素纸滤棒及卷烟制备与烟气分析一致。烟气分析结果表明，在纤维素成型纸上采用电纺丝的方法在其表面电纺出一层纳米聚乙烯缩丁醛纤维，可以降低烟气巴豆醛29.6%，烟气有害成分NH₃降低20.2%。烟气评析结果表明试制样与对照样烟气内在吸食品质一致，没有负面影响。

实施例3

电纺丝纳米纤维膜改性纤维素纸的制备：

单独对聚乙二醇1000溶液进行纺丝。电纺在实施例1中的电纺室进行。纺丝设备与实施例1相同。将聚乙二醇1000溶于乙醇制备成30%（V/V）的溶液，在室温下，使用20KV的电压和12cm的固化距离，纺丝液的推进速度为1mL/h，对其进行纺丝，以纤维素纸为基体接收聚乙二醇纳米纤维，在纤维素纸上制备出直径为600nm左右的白色纳米纤维。制备成含电纺丝纳米纤维的功能纤维素成型纸，纳米纤维膜在纸质基材上的喷覆量约为0.1g/m².。

功能电纺丝纤维素纸沟槽滤棒及卷烟制备与烟气分析：

含电纺丝纳米纤维膜改性纤维素纸沟槽滤棒成型和试制卷烟卷接及卷烟烟气常规分析和有害分析与实施例1中的功能电纺丝纤维素纸滤棒及卷烟制备与烟气分析一致。烟气分析结果表明，在纤维素成型纸上采用电纺丝的方法在其表面电纺出一层纳米聚乙二醇纤维，可以降低烟气巴豆醛30.3%，烟气有害成分NH₃也降低25.2%。烟气评析结果表明试制样与对照样烟气内在吸食品质一致，没有负面影响。

实施例4

电纺丝纳米纤维膜改性纤维素纸的制备：

对聚丙烯酰胺溶液进行纺丝。电纺在实施例1中的电纺室进行。纺丝设备与实施例1相同。将聚丙烯酰胺溶于水制备成8%（W/W）的溶液，在85℃下，使用18KV的电压和15cm的固化距离，纺丝液的推进速度为0.5mL/h，对其进行纺丝，以纤维素纸为基体接收聚丙烯酰胺纳米纤维，在纤维素纸上制备出直径为800nm左右的纳米纤维。制备成含电纺丝纳米纤维膜改性纤维素成型纸，纳米纤维膜在纸质基材上的喷覆量约为0.05g/m²。

功能电纺丝纤维素纸沟槽滤棒及卷烟制备与烟气分析：

含电纺丝纳米纤维膜改性纤维素纸沟槽滤棒成型和试制卷烟卷接及卷烟烟气常规分析和有害分析与实施例1中的功能电纺丝纤维素纸滤棒及卷烟制备与烟气分析一致。烟气分析结果表明，在纤维素成型纸上采用电纺丝的方法在其表面电纺出一层纳米聚丙烯酰胺纤维，可以降低烟气巴豆醛34.5%，烟气有害成分NH₃降低20.6%%。烟气评析结果表明试制样与对照样烟气内在吸食品质一致，没有负面影响。

实施例5

电纺丝纳米纤维膜改性纤维素纸的制备：

对聚乙烯醇和弹性蛋白共混溶液进行纺丝。电纺在实施例1中的电纺室进行。纺丝设备与实施例1相同。将聚乙烯醇溶于水制备成8%（W/W）的溶液，将弹性蛋白溶液水制备成10%的溶液，以20:80质量比混合两种溶液，在室温下，使用20KV的电压和15cm的固化距离，纺丝液的推进速度为2mL/h，对其进行纺丝，以纤维素纸为基体接收聚乙烯醇和弹性蛋白混合纳米纤维，在纤维素纸上制备出直径为1μm左右的纳米纤维。制备成含电纺丝纳米纤维膜改性纤维素成型纸，纳米纤维膜在纸质基材上的喷覆量约为0.8g/m²。

功能电纺丝纤维素纸沟槽滤棒及卷烟制备与烟气分析：

含电纺丝纳米纤维膜改性纤维素纸沟槽滤棒成型和试制卷烟卷接及卷烟烟气常规分析和有害分析与实施例1中的功能电纺丝纤维素纸滤棒及卷烟制备与烟气分析一致。烟气分析结果表明，在纤维素成型纸上采用电纺丝的方法在其表面电纺出一层纳米聚乙烯醇和弹性蛋白的混合纤维，可以降低烟气巴豆醛38.02%，烟气有害成分NH₃降低21.6%。烟气评析结果表明试制样与对照样烟气内在吸食品质一致，没有负面影响。

Claims (7)

1.纳米纤维膜改性纤维素成型纸的制备方法，其特征在于，将聚合物原料溶于溶剂配成纺丝液后，置于储液装置中；调节静电纺丝电压为15～25KV后，将储液装置中的纺丝液通过微量泵连续供给储液装置相连的喷丝头；所述纺丝液通过喷丝头以0.5～4.0mL/h的速度喷向距离喷丝头10～20cm，且连续移动的普通纤维素成型纸基体表面形成纳米纤维膜，即得纳米纤维膜改性纤维素成型纸；

所述的储液装置相连有若干组喷丝头，其中，每组为15～25个喷丝头，一组喷丝头为一个回路，所述喷丝头在各自的回路中匀速转动；

所述的聚合物原料与溶剂的质量比为3～30:95～70；

所述的聚合物原料为聚乙烯缩丁醛、聚丙烯晴、聚乙烯醇、醋酸纤维素、葡萄糖胺、聚乙二醇、聚己内酯、聚丙烯酰胺、弹性蛋白、聚芳酰胺中的一种或几种。

2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的溶剂根据聚合物原料的溶解性相应地选择能溶解聚合物原料所需的溶剂。

3.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述的溶剂包括乙醇、丙酮、水、二氯甲烷、乙酸、三氟乙酸、二甲基甲酰胺、三乙醇胺中的一种或几种。

4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的纳米纤维膜中纳米纤维直径为300nm～2μm。

5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的纳米纤维膜在普通纤维素成型纸基体表面的喷覆量为0.05～1.0g/m²。

6.权利要求1～5任意一项所述的制备方法制得的纳米纤维膜改性纤维素成型纸的应用，其特征在于，将所述纳米纤维膜改性纤维素成型纸应用于制备降低卷烟主流烟气中巴豆醛和NH₃释放量的卷烟滤棒。

7.如权利要求6所述的应用，其特征在于，所述的纳米纤维膜改性纤维素成型纸制备成沟槽槽型，再和滤棒丝束基材制成卷烟沟槽滤棒。