CN104910568B - 一种石墨烯‑聚合物复合气凝胶的滤嘴香料棒及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种石墨烯‑聚合物复合气凝胶的滤嘴香料棒及其制备方法，属于卷烟技术领域。该发明是在水溶液中加入石墨烯，引发剂，丙烯酸或丙烯酰胺或它们的混合物，交联剂反应，得到凝胶棒，脱溶剂后，通过浸渍香精香料，即得到所需的香料棒。石墨烯‑聚合物复合气凝胶为多孔网络结构，具有较高的比表面积，有利于香精香料的吸附。由于石墨烯材料具有优异的物理及化学性能，该气凝胶香料棒本身多孔结构对烟气具有较好的截留效果。本发明使用的原料便宜、操作简单、外观新颖，可以通过负载不同的香精香料赋予卷烟不同的香味和吃味，具有良好的市场应用前景。

Description

一种石墨烯-聚合物复合气凝胶的滤嘴香料棒及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种石墨烯-聚合物复合气凝胶滤嘴香料棒及其制备方法，属于卷烟技术领域。

背景技术

目前世界许多国家对卷烟烟气中的焦油量都作出了明确的法律限定, 各国烟草界也都投入了很大的力量致力于降低卷烟焦油技术的研究, 并且取得了很大的进展。近年来, 随着国内对吸烟与健康问题的广泛宣传, 人们对卷烟生产和消费的质量观念也发生了巨大的转变, 烟民吸烟的安全意识有了很大的提高。合理降低卷烟产品焦油量将顺应广大消费者的要求, 有利于提高产品的市场适应能力和竞争力。如何使卷烟的焦油及其有害成分显著降低, 同时又保持卷烟吸味使消费者得到生理满足, 是卷烟设计面临的最大挑战。

目前，卷烟增香减害添加剂的应用极为广泛，在卷烟减害降焦及香味补偿方面起着重要作用。现有添加技术主要将添加剂加入到烟丝和滤棒中，但在烟丝中添加，添加剂会随卷烟的抽吸而同时参与燃烧，不但会因此丧失应有的减害增香作用，还有可能因裂解产生新的有害物质。

发明内容

本发明的目的是提供一种石墨烯-聚合物复合气凝胶滤嘴香料棒及其制备方法，该滤嘴香料棒可以大幅改善卷烟的香味和吃味，具有较好的减害增香作用，并且改善滤嘴棒外观。

石墨烯是由单层碳原子以SP²杂化方式连接，具有二维蜂窝状晶体结构的新型纳米碳材料。因其具有超大的理论比表面积、优异的电学、热学、力学等性能，以石墨烯为基本结构单元的石墨烯气凝胶是一种低密度固体材料，具有高比表面积、丰富的纳米孔结构和良好的力学及电学性能。

本发明的技术方案如下：

一种石墨烯-聚合物复合气凝胶滤嘴香料棒的制备方法：

1、氧化石墨烯的制备：取46mL的浓硫酸于500mL的三颈烧瓶中，并将其置于冰水浴锅中，温度控制在0℃左右，取2g石墨粉加入到三颈烧瓶中，充分搅拌，然后缓慢地向三颈烧瓶中加入1g硝酸钠和6g高锰酸钾，控制反应温度不超过20℃，反应2h左右；之后，移去冰浴装置，将温度控制在35℃左右，再反应约30min后，向三颈烧瓶中缓慢加入92mL的去离子水，温度控制在98℃左右，并保持15min；之后，用温水将上述悬浮液稀释至280mL，向三颈烧瓶中缓慢加入体积浓度5%双氧水稀溶液至悬浮液颜色变为亮黄色为止；过滤上述悬浮液，并用体积浓度5%HCl稀溶液充分洗涤，直至滤液中无硫酸根检出（用氯化钡溶液检测），得到黄褐色滤饼，将滤饼溶解于去离子水中，充分揽拌后用高速离心机（转速8000r/min)离心分离，重复此过程，直至上层清液呈中性为止；得到的底物转移到表面皿上，并置于鼓风干燥箱中充分干燥，再置于真空干燥箱中干燥24h后取出、研磨，过200目筛，得到氧化石墨烯；

2、将1重量份的丙烯酸或丙烯酰胺或它们的混合物，0.001-0.01重量份的N，N’-亚甲基双丙烯酰胺，0.05-0.005重量份的引发剂，0.005-0.05重量份的氧化石墨烯、加入10-50重量份的去离子水中，搅拌均匀，20℃下超声处理20min，加入模具中，在50-70℃的水浴中反应0.5-6小时；

所述的引发剂为过硫酸钠、过硫酸铵、过硫酸钾、亚硫酸钠-饱和双氧水、偶氮二异丁咪唑盐酸盐中的一种；

3、将步骤2得到的产物取出，加入溶剂清洗清洗溶胀平衡12-48小时，然后用-50至-10℃下冷冻干燥1-6小时；或二氧化碳超临界干燥，即得到石墨烯-聚合物复合气凝胶的滤嘴高效吸附棒；

4、将步骤3得到产物，喷涂浸渍吸附上不同的香精香料香味剂，即得到石墨烯-聚合物复合气凝胶滤嘴香料棒。

上述步骤1所述的交联剂N，N-亚甲基双丙烯酰胺，还可采用硅烷交联剂、钛酸酯交联剂、铝酸酯交联剂等。

上述步骤1所述的模具形状为圆形，五角形，三角形，十字形，多边形等。

上述步骤2所述的溶剂包括水，乙醇，甲醇，丙酮等。

上述步骤3所述的超二氧化碳超临界干燥临界条件为30-100℃，7-20兆帕，干燥10-48小时。

上述步骤4所述的香精香料香味剂包括烟草本香物质，烟草浸膏分离物，花草等植物提取的香料物质，及其它水果香味剂、糖果香味剂、清香型香味剂、甜香型香味剂等。

石墨烯-聚合物复合气凝胶为多孔网络结构，具有较高的比表面积，有利于香精香料的吸附；此外烟气气凝胶与该气凝胶接触充分，抽吸时便于香气的洗脱释放。同时，由于石墨烯材料具有优异的物理及化学性能，该气凝胶香料棒本身多孔结构对烟气具有较好的截留效果。而且可以通过改变模具形状得到不同外观的香料棒。

将本发明的滤嘴香料棒置于卷烟滤嘴中，使卷烟在燃吸过程中将香料物质释放到主流烟气中，能够降低卷烟烟气中有害化学成分的含量，同时可以赋予卷烟特殊的香味和吃味。另外可以改变香料棒的外观，从而制备出不同形状外观的滤嘴棒，满足市场对卷烟差异化的要求，提高卷烟的辨识度。

本发明使用的原料便宜、操作简单、外观新颖，可以通过负载不同的香精香料赋予卷烟不同的香味和吃味，具有良好的市场应用前景。

附图说明：

图1为本发明的滤嘴香料棒的结构示意图。

图2为添加了本发明香料棒的滤嘴的结构示意图。

具体实施方式

氧化石墨烯的制备：取46mL的浓硫酸于500mL的三颈烧瓶中，并将其置于冰水浴锅中，温度控制在0℃左右，取2g石墨粉加入到三颈烧瓶中，充分搅拌，然后缓慢地向三颈烧瓶中加入1g硝酸钠和6g高锰酸钾，控制反应温度不超过20℃，反应2h左右；之后，移去冰浴装置，将温度控制在35℃左右，再反应约30min后，向三颈烧瓶中缓慢加入92mL的去离子水，温度控制在98℃左右，并保持15min；之后，用温水将上述悬浮液稀释至280mL，向三颈烧瓶中缓慢加入体积浓度5%双氧水稀溶液至悬浮液颜色变为亮黄色为止；过滤上述悬浮液，并用体积浓度5%HCl稀溶液充分洗涤，直至滤液中无硫酸根检出（用氯化钡溶液检测），得到黄褐色滤饼，将滤饼溶解于去离子水中，充分揽拌后用高速离心机（转速8000r/min)离心分离，重复此过程，直至上层清液呈中性为止；得到的底物转移到表面皿上，并置于鼓风干燥箱中充分干燥，再置于真空干燥箱中干燥24h后取出、研磨，过200目筛，得到氧化石墨烯。

实施例1

将1克的丙烯酸，0.05克的过硫酸钠，0.001克N，N’-亚甲基双丙烯酰胺，0.005克氧化石墨烯，加入10克水中，搅拌均匀，20℃下超声处理20min，加入圆形模具中，通氮气保护，加热至50℃，反应6小时 ，取出，加入水清洗溶胀平衡48小时，然后于-50摄氏度下冷冻干燥1小时；取出后喷涂上烟草本香物质，即得到石墨烯-聚合物复合气凝胶滤嘴香料棒。将所得的圆形香料棒加入滤嘴中制备成卷烟，其烟气焦油量减少，清凉感增强，烟气舒适度和飘逸感增强。

实施例2

将1克丙烯酰胺，0.005克过硫酸铵，0.01克N，N’-亚甲基双丙烯酰胺，0.005克氧化石墨烯，加入50克水中，搅拌均匀，20℃下超声处理20min，加入三角形模具中，通氮气保护，加热至70℃，反应时间为0.5小时，取出，加入甲醇清洗剂清洗溶胀平衡12小时，然后于-10℃下冷冻干燥6小时；取出后浸渍上烟草浸膏分离物，即得到石墨烯-聚合物复合气凝胶滤嘴香料棒。将所得的三角形香料棒加入滤嘴中制备成卷烟，其烟气焦油量减少，香气量增大，烟气舒适度和飘逸感增强。

实施例3

将0.5克的丙烯酰胺，0.5克丙烯酸，0.025克过硫酸钾，0.015克N，N’-亚甲基双丙烯酰胺，0.015克氧化石墨烯，加入20克水中，搅拌均匀，20℃下超声处理20min，加入五角形模具中，通氮气保护，加热至60℃，反应时间为5小时，取出，加入丙酮清洗剂清洗溶胀平衡30小时，然后二氧化碳超临界干燥，超临界条件为30℃，7兆帕，干燥48小时，取出后喷涂上花草等植物提取的香料物质，即得到石墨烯-聚合物复合气凝胶滤嘴香料棒。将所得的五角形香料棒加入滤嘴中制备成卷烟，其烟气焦油量减少，香气量增大，清凉感增强，烟气舒适度和飘逸感增强。

实施例4

将0.4克丙烯酰胺，0.6克丙烯酸，0.015克亚硫酸钠，0.045克饱和双氧水，0.0045克N，N’-亚甲基双丙烯酰胺，0.035克氧化石墨烯，加入40克水中，搅拌均匀，20℃下超声处理20min，加入十字形模具中，通氮气保护，加热至60℃，反应时间为3小时，取出，加入乙醇清洗剂清洗溶胀平衡20小时，然后二氧化碳超临界干燥，超临界条件为100℃，20兆帕，干燥10小时，即得到石墨烯-聚合物复合气凝胶滤嘴香料棒。将所得的十字形香料棒加入滤嘴中制备成卷烟，其烟气焦油量减少，香气量增大，清凉感增强，烟气舒适度和飘逸感增强。

实施例5

将0.2克丙烯酰胺，0.8克丙烯酸，0.045克偶氮二异丁咪唑盐酸盐，0.0025克N，N’-亚甲基双丙烯酰胺，0.035克氧化石墨烯，加入30克水中，搅拌均匀，20℃下超声处理20min，加入多边形模具中，通氮气保护，加热至65℃，反应时间为4小时，取出，加入水清洗清洗溶胀平衡40小时，然后二氧化碳超临界干燥，超临界条件为80℃，12兆帕，干燥20小时，取出后浸渍上糖果香味剂，即得到石墨烯-聚合物复合气凝胶滤嘴香料棒。将所得的多边形香料棒加入滤嘴中制备成卷烟，其烟气焦油量减少，香气量增大，清凉感增强，烟气舒适度和飘逸感增强。

实施例6

将0.6克丙烯酰胺，0.4克丙烯酸，0.005克偶氮二异丁咪唑盐酸盐，0.0065克N，N’-亚甲基双丙烯酰胺，0.045克氧化石墨烯，加入50克水中，搅拌均匀，20℃下超声处理20min，加入圆形模具中，通氮气保护，加热至55℃，反应时间为6小时 ，取出，加入水清洗溶胀平衡35小时，然后于-30℃下冷冻干燥4小时；取出后喷涂上清香型香味剂，即得到石墨烯-聚合物复合气凝胶滤嘴香料棒。将所得的圆形香料棒加入滤嘴中制备成卷烟，其烟气焦油量减少，香气量增大，清凉感增强，烟气舒适度和飘逸感增强。

实施例7

将0.8克丙烯酰胺，0.2克丙烯酸，0.025克过硫酸铵，0.085克N，N’-亚甲基双丙烯酰胺，0.05克氧化石墨烯，加入45克水中，搅拌均匀，20℃下超声处理20min，加入十字形模具中，通氮气保护，加热至55℃，反应时间为5小时 ，取出，加入乙醇清洗剂清洗溶胀平衡25小时，然后用-20摄氏度下冷冻干燥6小时；取出后浸渍上甜香型香味剂，即得到石墨烯-聚合物复合气凝胶滤嘴香料棒。将所得的十字形香料棒加入滤嘴中制备成卷烟，其烟气焦油量减少，香气量增大，清凉感增强，烟气舒适度和飘逸感增强。

以上实施例通过BET测得的石墨烯-聚合物复合气凝胶的比表面积数据见表1：

表1

Claims (7)

1.一种石墨烯-聚合物复合气凝胶的滤嘴香料棒的制备方法，其特征在于按以下步骤进行：

1）将1重量份的丙烯酸或丙烯酰胺或它们的混合物，0.001-0.01重量份的N，N’-亚甲基双丙烯酰胺，0.05-0.005重量份的引发剂，0.005-0.05重量份的氧化石墨烯、加入10-50重量份的去离子水中，搅拌均匀，20℃下超声处理20min，加入模具中，在50-70℃的水浴中反应0.5-6小时；

所述的引发剂为过硫酸钠、过硫酸铵、过硫酸钾、亚硫酸钠-饱和双氧水、偶氮二异丁咪唑盐酸盐中的一种；

2）将步骤1)得到的产物取出，加入溶剂清洗溶胀平衡12-48小时，然后用-50至-10℃下冷冻干燥1-6小时；或二氧化碳超临界干燥，即得到石墨烯-聚合物复合气凝胶的滤嘴高效吸附棒；

3）将步骤2)得到产物，喷涂浸渍吸附上不同的香精香料香味剂，即得到石墨烯-聚合物复合气凝胶滤嘴香料棒。

2.根据权利要求1所述的石墨烯-聚合物复合气凝胶的滤嘴香料棒的制备方法，其特征在于：步骤1）所述的N，N-亚甲基双丙烯酰胺交联剂，还可采用硅烷交联剂、钛酸酯交联剂、铝酸酯交联剂代替。

3.根据权利要求1所述的石墨烯-聚合物复合气凝胶的滤嘴香料棒的制备方法，其特征在于：步骤1）所述的模具形状为圆形，五角形，三角形，十字形。

4.根据权利要求1所述的石墨烯-聚合物复合气凝胶的滤嘴香料棒的制备方法，其特征在于：步骤2）所述的溶剂为水、乙醇、甲醇、丙酮中的一种。

5.根据权利要求1所述的石墨烯-聚合物复合气凝胶的滤嘴香料棒的制备方法，其特征在于：步骤2）所述的二氧化碳超临界干燥临界条件为30-100℃，7-20兆帕，干燥10-48小时。

6.根据权利要求1所述的石墨烯-聚合物复合气凝胶的滤嘴香料棒的制备方法，其特征在于：步骤3）所述的香精香料香味剂包括烟草本香物质、烟草浸膏分离物、花草植物提取的香料物质、及其它水果香味剂、糖果香味剂中的一种。

7.一种用权利要求1所述的石墨烯-聚合物复合气凝胶的滤嘴香料棒的制备方法制备得到的石墨烯-聚合物复合气凝胶的滤嘴香料棒。