CN106690404B

CN106690404B - 基于石墨烯纳米复合材料的烟丝添加剂及其制备方法和应用

Info

Publication number: CN106690404B
Application number: CN201510793035.XA
Authority: CN
Inventors: 李斌; 张光晋; 张柯; 刘荣基; 张彩云; 王兵
Original assignee: Institute of Process Engineering of CAS; Zhengzhou Tobacco Research Institute of CNTC
Current assignee: Institute of Process Engineering of CAS; Zhengzhou Tobacco Research Institute of CNTC
Priority date: 2015-11-18
Filing date: 2015-11-18
Publication date: 2018-07-27
Anticipated expiration: 2035-11-18
Also published as: CN106690404A

Abstract

一种基于石墨烯纳米复合材料的烟丝添加剂及其制备方法和应用，其特征在于：该烟丝添加剂是由石墨烯材料水分散液与无机盐溶液混合而成的复合材料分散液，其中，无机盐质量为石墨烯材料质量的10‑45%；石墨烯材料为氧化石墨烯，为含炭、氧元素的二维层状纳米材料。所述的无机盐的阳离子为Na⁺,K⁺,Li⁺,Cs⁺，Ba²⁺，Ca²⁺金属离子或者Eu，Gd，Yb稀土离子，所述的无机盐的阴离子包括多钼酸根，多钨酸根，磷钼酸根，磷钨酸根，硅钨酸根，硅钼酸根，氢氧根，硫酸根，卤素离子或硝酸根。将该烟丝添加剂添加到烟丝中可有效促进烟丝充分燃烧，同时对有害气体进行催化氧化，减少有害物质排放。

Description

基于石墨烯纳米复合材料的烟丝添加剂及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及烟草添加剂，具体上一种可降低烟丝燃烧温度从而减少有害物释放的基于石墨烯纳米复合材料的烟丝添加剂及其制备方法。

背景技术

吸烟与健康是烟草行业当前面临的主要挑战之一。近年来，在世界卫生组织(WHO)、许多国家政府和各种反吸烟团体的积极推动下，全球性的反吸烟运动日益高涨，烟草行业受到的社会压力越来越大。我国烟草行业《卷烟危害性指标体系》项目的开展与应用推广，明确了通过CO、HCN、NNK、NH₃、苯并[α]芘(B[α]P)、苯酚、巴豆醛等7项指标来表征卷烟主流烟气的生物危害性，为系统开展卷烟减害研究提供了努力方向。影响健康的有害物质主要存在于卷烟烟气中，而卷烟烟气中的化学成分是经过一系列的化学和物理过程形成的，其化学物理过程包括烟草中挥发成分的蒸发和蒸馏过程、非挥发成分的热解过程、热解所形成焦的不完全燃烧过程及初始产物的二次反应，还包括阴燃和抽吸条件下的传递过程(质量，热量和动量)等变化，因此卷烟燃烧状态是发生各种化学物理过程的基础，通过调控卷烟燃烧状态可以实现从源头控制卷烟烟气中有害物质的释放量。在卷烟中添加一些功能性材料如助燃剂等可有效降低卷烟燃烧过程中有害物质的排放，目前常见的助燃剂主要为有机的钾盐和钠盐等。谢国勇等人考察了卷烟纸中添加柠檬酸钾对卷烟燃烧产物的影响，发现卷烟纸中柠檬酸钾含量对卷烟主流烟气中CO、苯酚、HCN、NH₃、NNK、B[α]P的释放量具有显著的降低效果，且具有良好的线性相关性，但与巴豆醛释放量无线性相关性。

从目前的国内外发展趋势来看，使卷烟低毒无害化已成为大势所趋。从以上研究可以看出，卷烟助燃剂主要作用是促进卷烟燃烧充分，同时对烟气中的有害气体进行催化氧化，从而减少主流烟气中有害气体的释放量，因此，开发针对烟草的新型高活性烟草添加剂功能材料具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的正是基于上述现有技术状况而提供一种可有效促进烟丝燃烧，降低燃烧温度从而减少有害物排放的基于石墨烯复合材料的烟丝添加剂及其制备方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于石墨烯纳米复合材料的烟丝添加剂，是由石墨烯材料水分散液与无机盐溶液混合而成的复合材料分散液，其中，无机盐质量为石墨烯材料质量的10-45%；石墨烯材料为氧化石墨烯，为含炭、氧元素的二维层状纳米材料，氧化石墨烯水分散液的浓度为5-60wt%。

所述的无机盐的阳离子为Na⁺, K⁺, Li⁺, Cs⁺，Ba²⁺，Ca²⁺金属离子或者Eu，Gd，Yb稀土离子中的一种。

所述的无机盐的阴离子包括多钼酸根，多钨酸根，磷钼酸根，磷钨酸根，硅钨酸根，硅钼酸根，氢氧根，硫酸根，卤素离子，硝酸根中一种。

上述烟丝添加剂的制备方法如下：是由氧化石墨烯水分散液与无机盐溶液混合、搅拌制得；其中，氧化石墨烯分散液的浓度为5-60wt%，无机盐质量为石墨烯材料质量的10-45%。

本发明的烟丝添加剂添加到烟丝中可有效促进烟丝氧化燃烧，降低燃烧温度，减少有害物质排放，添加量为烟丝重量的0.1-10%，优选0.5-5%。

本发明的优点在于：石墨烯材料是一种能量密度很大的燃料，氧化石墨烯被加热至400^oC时就转变为石墨烯，在金属离子存在下石墨烯易发生燃烧，从而促进卷烟充分燃烧，有利于减少有害物质的生成；同时，这种烟丝添加剂燃烧后会形成纳米金属氧化物，可以对烟气中的有害气体进行催化氧化，从而减少主流烟气中有害气体的释放量。

具体实施方式

本发明以下结合实施例做进一步描述：

实施例1

将浓度为5wt%的氧化石墨水分散液与钼酸钾溶液混合，混合后钼酸钾质量为氧化石墨烯质量的10%，将溶液充分搅拌，从而获得石墨烯复合材料水分散液。将混合溶液喷洒到烟叶上，其添加量为烟叶质量的0.1%。将烟叶制成卷烟制品，点燃后分析燃烧温度，较对照卷烟对比降低12%。分析烟气成份，其焦油降低13%，B[α]P降低20%，苯酚降低9%。

实施例2

将浓度为10wt%的氧化石墨水分散液与磷钼酸锂溶液混合，混合后磷钼酸锂质量为氧化石墨烯质量的15%，将溶液充分搅拌，从而获得石墨烯复合材料水分散液。将混合溶液喷洒到烟叶上，其添加量为烟叶质量的1%。将烟叶制成卷烟制品，点燃后分析燃烧温度，较对照卷烟对比降低15%。分析烟气成份，其焦油降低11%，苯B[α]P降低26%，苯酚降低12%。

实施例3

将浓度为25wt%的氧化石墨水分散液与硅钨酸钠溶液混合，混合后硅钨酸钠质量为氧化石墨烯质量的20%，将溶液充分搅拌，从而获得石墨烯复合材料水分散液。将混合溶液喷洒到烟叶上，其添加量为烟叶质量的5%。将烟叶制成卷烟制品，点燃后分析燃烧温度，较对照卷烟对比降低17%。分析烟气成份，其焦油降低15%，B[α]P降低21%，苯酚降低17%。

实施例4

将浓度为35wt%的氧化石墨水分散液与氢氧化钠溶液混合，混合后氢氧化钠质量为氧化石墨烯质量的25%，将溶液充分搅拌，从而获得石墨烯复合材料水分散液。将混合溶液喷洒到烟叶上，其添加量为烟叶质量的10%。将烟叶制成卷烟制品，点燃后分析燃烧温度，较对照卷烟对比降低20%。分析烟气成份，其焦油降低19%，B[α]P降低20%，苯酚降低18%。

实施例5

将浓度为30wt%的氧化石墨水分散液与硝酸铕溶液混合，混合后硝酸铕质量为氧化石墨烯质量的20%，将溶液充分搅拌，从而获得石墨烯复合材料水分散液。将混合溶液喷洒到烟叶上，其添加量为烟叶质量的5%。将烟叶制成卷烟制品，点燃后分析燃烧温度，较对照卷烟对比降低19%。分析烟气成份，其焦油降低19%，B[α]P降低25%，苯酚降低22%。

实施例6

将浓度为35wt%的氧化石墨水分散液与硫酸钆溶液混合，混合后硫酸钆质量为氧化石墨烯质量的25%，将溶液充分搅拌，从而获得石墨烯复合材料水分散液。将混合溶液喷洒到烟叶上，其添加量为烟叶质量的4%。将烟叶制成卷烟制品，点燃后分析燃烧温度，较对照卷烟对比降低20%。分析烟气成份，其焦油降低21%，B[α]P降低21%，苯酚降低20%。

实施例7

将浓度为50wt%的氧化石墨水分散液与氯化铕溶液混合，混合后氯化铕质量为氧化石墨烯质量的40%，将溶液充分搅拌，从而获得石墨烯复合材料水分散液。将混合溶液喷洒到烟叶上，其添加量为烟叶质量的55%。将烟叶制成卷烟制品，点燃后分析燃烧温度，较对照卷烟对比降低5%。分析烟气成份，其焦油降低21%，B[α]P降低20%，苯酚降低17%。

实施例8

将浓度为60wt%的氧化石墨水分散液与硝酸铕溶液混合，混合后钼酸钠质量为氧化石墨烯质量的20%，将溶液充分搅拌，从而获得石墨烯复合材料水分散液。将混合溶液喷洒到烟叶上，其添加量为烟叶质量的3%。将烟叶制成卷烟制品，点燃后分析燃烧温度，较对照卷烟对比降低22%。分析烟气成份，其焦油降低25%，B[α]P降低30%，苯酚降低32%。

Claims

1.一种基于石墨烯纳米复合材料的烟丝添加剂，其特征在于：该烟丝添加剂是由石墨烯材料水分散液与无机盐溶液混合而成的复合材料分散液，其中，无机盐质量为石墨烯材料质量的为10-45%；石墨烯材料为氧化石墨烯，为含炭、氧元素的二维层状纳米材料，氧化石墨烯水分散液的浓度为5-60wt%；所述无机盐的阳离子为Na⁺, K⁺, Li⁺, Cs⁺，Ba²⁺，Ca²⁺金属离子或者Eu，Gd，Yb稀土离子中的一种，所述无机盐的阴离子为多钼酸根，多钨酸根，磷钼酸根，磷钨酸根，硅钨酸根，硅钼酸根，氢氧根，硫酸根，卤素离子，硝酸根中的一种。

2.一种如权利要求1所述的基于石墨烯纳米复合材料的烟丝添加剂的制备方法，其特征在于：是由氧化石墨烯水分散液与无机盐溶液混合、搅拌制得；其中，氧化石墨烯分散液浓度为5-60wt%，无机盐质量为石墨烯材料质量的10-45%。

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：无机盐的浓度为0.5-5%。

4.一种如权利要求1所述的基于石墨烯纳米复合材料的烟丝添加剂在卷烟燃烧降害中的应用，其特征在于：将该烟丝添加剂添加到烟丝中可有效促进烟丝烟丝充分燃烧，同时对有害气体进行催化氧化，减少有害物质排放。

5.根据权利要求4所述的应用，其特征在于：烟丝添加剂的添加量为烟丝重量的0.1-10%。

6.根据权利要求5所述的应用，其特征在于：烟丝添加剂的添加量为烟丝重量的0.5-5%。