CN107109707B - 用于香烟过滤嘴的莱赛尔材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种制造用于香烟过滤嘴的莱赛尔材料的方法，包括：(S1)对包含8wt％至13wt％的纤维素浆料和87wt％至92wt％的N‑甲基吗啉‑N‑氧化物(NMMO)水溶液的莱赛尔纺丝液进行纺丝；(S2)使在(S1)中纺丝后的所述莱赛尔纺丝液凝固，从而得到莱赛尔复丝；(S3)对在(S2)中得到的所述莱赛尔复丝进行水洗；(S4)对在(S3)中水洗后的所述莱赛尔复丝上油；以及(S5)向在(S4)中得到的所述莱赛尔复丝施加蒸汽和压力，从而得到每英寸具有30至40个卷曲的卷曲丝束。

Description

用于香烟过滤嘴的莱赛尔材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种用于香烟过滤嘴的莱赛尔材料及其制造方法。
背景技术
香烟过滤嘴主要由醋酸纤维素纤维制成。目前，醋酸纤维素纤维按照以下方式制造。具体地说，将醋酸纤维素薄片溶解在诸如丙酮的溶剂中，从而制备醋酸纤维素纺丝液。将因此制备的纺丝液供给到纺丝喷嘴装置中，并在高温下使用干纺丝工艺纺丝，从而得到醋酸纤维素纤维。
特别地，对于可用作香烟过滤嘴纤维的醋酸纤维素纤维，为了便于香烟过滤嘴的制造，适当地设定总纤度，制造具有卷曲的纤维丝束。香烟过滤嘴按照以下方式制造：醋酸纤维素纤维丝束通过使用香烟过滤嘴塞卷绕装置打开，用塑化剂浸渍，使用过滤嘴卷绕纸形成棒，并且切割成预定尺寸。
通常，已知使纤维素经过醋酸酯化获得的醋酸纤维素是可生物降解的材料。然而，即使将由醋酸纤维素纤维制成的香烟过滤嘴埋在土壤中，其形状仍然保持1至2年，并且需要相当长的时间以便完全生物降解埋在土壤中的香烟过滤嘴。
香烟过滤嘴组装成香烟产品，分配给消费者，以供吸烟，最后在吸烟后被丢弃。此外，香烟过滤嘴可能直接作为用于制造香烟过滤嘴的工厂中的制造残余物而被废弃。这种香烟过滤嘴废物作为垃圾收集，然后被掩埋。在某些情况下，吸过的香烟不是作为垃圾收集的，而可能被允许留在自然环境中。香烟过滤嘴废物不仅仅是视觉上的问题，而是已经发现，使用过的香烟过滤嘴中的毒素渗入环境中并可能表现出生物危害。
在这种情况下，已经提出了制造可生物降解的香烟过滤嘴的各种方法。在这方面，为了提高作为可生物降解的聚合物的醋酸纤维素的分解速度，添加了添加剂，或者使用具有少量取代的醋酸纤维素来提高生物降解性。可替代地，作为过滤嘴丝束材料，已经提出使用包含PHB(聚羟基丁酸酯)/PVB(聚乙烯醇缩丁醛)和淀粉的呈高生物降解性的聚合物复合材料。
然而，尚未提出令人满意的商业解决方案来生产足够快速分解以克服垃圾问题并因此被消费者接受的过滤嘴。这是因为尚未实现在达到足够快的生物降解速率以解决环境问题同时作为香烟过滤嘴在吸烟期间能够同时满足香烟偏好和吸收特性的方法。
同时，在由天然浆料(pulp)和氧化胺水合物制成的莱赛尔纤维的情况下，与现有的再生纤维相比，可表现出优异的拉伸性能和优良的触感。用于制备莱赛尔纤维的氧化胺类溶剂可以循环利用，即使在废弃时也可生物降解，因此生产过程不产生任何污染物，对作为环境友好型再生纤维的莱赛尔纤维的研究最近变得更加活跃。
如美国专利第4416698号和第4246221号中所公开的，制造莱赛尔纤维的方法包括将通过使纤维素溶解在氧化胺(NMMO)中而获得的纺丝液纺丝并使其凝结以得到细丝，然后进行水洗、干燥和后处理。此外，莱赛尔纤维不是天然卷绕的，但是可以通过欧洲专利申请公开号797,696中公开的方法将湿纤维压制的方式，或通过欧洲专利申请公开号703,997中公开的方法通过使用干蒸汽的填塞箱卷绕处理可以形成卷曲的方式而被有用地使用。
对于现有的莱赛尔纤维，由于卷曲的形成而引起的膨胀性能(bloomingproperty)不好，并且在大多数常规技术中，仅提高了莱赛尔纤维的物理性能，诸如强度等。然而，香烟过滤嘴的材料需要具有良好的卷曲性能，并且为了有效地将可生物降解的莱赛尔纤维应用于香烟过滤嘴，对于提高莱赛尔纤维材料的卷曲性能从而通过确保大量卷曲来满足香烟过滤嘴材料所需的性能的研究和开发正在进行。
发明内容
技术问题
因此，本发明旨在提供一种用于香烟过滤嘴的莱赛尔材料及其制造方法，其中所述莱赛尔材料具有高生物降解性和大量的卷曲，并且因此可以满足用于香烟过滤嘴的材料所需的性质。
技术方案
因此，本发明的第一优选实施例提供了一种制造用于香烟过滤嘴的莱赛尔材料的方法，包括：(S1)对包含8wt％至13wt％的纤维素浆料和87wt％至92wt％的N-甲基吗啉-N-氧化物(NMMO)水溶液的莱赛尔纺丝液进行纺丝；(S2)使在(S1)中纺丝后的莱赛尔纺丝液凝固，从而得到莱赛尔复丝；(S3)对在(S2)中得到的莱赛尔复丝进行水洗；(S4)对在(S3)中水洗后的莱赛尔复丝进行上油；以及(S5)向在(S4)中得到的莱赛尔复丝施加蒸汽和压力，从而得到每英寸具有30至40个卷曲的卷曲丝束。
在第一实施例中，在(S1)的所述莱赛尔纺丝液中，所述纤维素浆料可以包含85wt％至99wt％的α-纤维素，并且可以具有600至1700的聚合度(DPw)。
在第一实施例中，(S2)中的凝固可以包括：使用空气淬冷(Q/A)的初级凝固，包括向所述纺丝液供应冷空气；以及次级凝固，包括将初级凝固的纺丝液浸渍在凝固溶液中。
这里，空气淬冷可以通过向纺丝液供应温度为4℃至15℃且风速为30m/s至120m/s的冷空气来进行，凝固溶液优选地具有30℃以下的温度。
在第一实施例中，可以使用填塞箱执行(S5)，并且所述填塞箱被控制为使得蒸汽压力为0.1kgf/cm2至3kgf/cm2，压辊压力为1.5kgf/cm2至4kgf/cm2，并且上板压力为0.1kgf/cm2至3kgf/cm2。
此外，本发明的优选的第二实施例提供了一种用于香烟过滤嘴的莱赛尔材料，所述莱赛尔材料通过对包含纤维素浆料和N-甲基吗啉-N-氧化物(NMMO)水溶液的莱赛尔纺丝液进行纺丝以生成莱赛尔复丝并向所述莱赛尔复丝施加蒸汽和压力以得到卷曲丝束来制造，其中所述卷曲丝束每英寸具有30至40个卷曲。
在第二实施例中，所述莱赛尔纺丝液包含8wt％至13wt％的纤维素浆料以及87wt％至92wt％的N-甲基吗啉-N-氧化物水溶液。这里，所述纤维素浆料可以包含85wt％至99wt％的α-纤维素，并且所述纤维素浆料可以具有600至1700的聚合度(DPw)。
有益效果
根据本发明，可以提供具有高生物降解性和增加数目的卷曲并且表现出适合用作香烟过滤嘴材料的性能的莱赛尔卷曲丝束。当应用本发明的莱赛尔卷曲丝束时，可以进一步提高香烟的偏好和吸收特性。
具体实施方式
本发明的一个方面涉及一种制造用于香烟过滤嘴的莱赛尔材料的方法，包括以下步骤：(S1)对包含8wt％至13wt％的纤维素浆料和87wt％至92wt％的N-甲基吗啉-N-氧化物(NMMO)水溶液的莱赛尔纺丝液进行纺丝；(S2)使在(S1)中纺丝后的莱赛尔纺丝液凝固，从而得到莱赛尔复丝；(S3)对在(S2)中得到的莱赛尔复丝进行水洗；(S4)对在(S3)中水洗后的莱赛尔纤维复丝进行上油；以及(S5)向在(S4)中得到的莱赛尔复丝施加蒸汽和压力，从而得到每英寸具有30至40个卷曲的卷曲丝束。
下面是根据本发明的制造用于香烟过滤嘴的莱赛尔材料的方法的步骤的详细描述。
[(S1)步骤]
在本发明中，(S1)是对包含纤维素浆料和N-甲基吗啉-N-氧化物(NMMO)水溶液的莱赛尔纺丝液进行纺丝的步骤。这里，莱赛尔纺丝液可以包含8wt％至13wt％的纤维素浆料和87wt％至92wt％的NMMO水溶液，并且纤维素浆料可以包含85wt％至99wt％的α-纤维素，而且纤维素浆料可以具有600至1700的聚合度(DPw)。
如果纤维素浆料的量小于8wt％，则难以获得纤维的性质。另一方面，如果其量超过13wt％，则在水溶液中的溶解变得困难。此外，如果NMMO水溶液的量小于87wt％，则溶解粘度可能显著增加，这是不期望的。另一方面，如果其量超过92wt％，则纺丝粘度可能显著降低，使得难以在纺丝工艺中制造均匀的纤维。
在NMMO水溶液中的NMMO和水的重量比可以在93:7至85:15的范围内。如果NMMO和水的重量比超过93:7，则溶解温度可能增加，并且因此纤维素可能在纤维素溶解时分解。另一方面，如果其重量比小于85:15，则溶剂的溶解性能可能恶化，使得难以溶解纤维素。
纺丝液从圆环状(donut-shaped)喷丝头的纺丝喷嘴排出。因此，喷丝头用于通过气隙将细丝纺丝液排出到凝固浴的凝固溶液中。从喷丝头排出纺丝液可以在100℃至110℃的温度下进行。
[(S2)步骤]
在本发明中，(S2)是使在(S1)中纺丝后的莱赛尔纺丝液凝固以得到莱赛尔复丝的步骤。(S2)中的凝固可以包括：初级凝固，包括使用冷空气使纺丝液进行空气淬冷(Q/A)；以及次级凝固，包括将初级凝固的纺丝液浸渍在凝固溶液中。
在(S1)中纺丝液通过圆环状喷丝头排出之后，纺丝液可以通过喷丝头与凝固浴之间的气隙。在气隙中，从位于圆环状喷丝头内部的空气冷却部分向外供应冷空气，并且可以通过使冷空气供应到纺丝液的空气淬冷来进行初级凝固。
对在(S2)中获得的莱赛尔复丝的性质有影响的因素包括气隙中的冷空气的温度和风速，(S2)中的凝固可以通过将温度为4℃至15℃且风速为30m/s至120m/s的冷空气供应到纺丝液来进行。
如果初级凝固时的冷空气温度低于4℃，则有可能立即冷却喷丝头表面，并且因此莱赛尔复丝的横截面可能变得不均匀，并且纺丝可加工性可能恶化。另一方面，如果其温度高于15℃，则使用冷空气的初级凝固不充分，因此恶化纺丝加工性。
此外，如果初级凝固时的冷空气的风速小于5m/s，则使用冷空气的初级凝固不充分，不期望地导致断丝。另一方面，如果其风速超过60m/s，则空气可能使从喷丝头喷出的纺丝液晃动，纺丝可加工性可能因此恶化。
在使用空气淬冷的初级凝固之后，将纺丝液供应到包含凝固溶液的凝固浴中以进行次级凝固。为了适当地进行次级凝固，凝固溶液的温度可以设定为30℃以下。这是为了适当地维持凝固速率，因为次级凝固的温度不能过高。可以在没有特别限制的情况下制备凝固溶液，只要其具有本发明所属领域中典型的成分即可。
[(S3)步骤]
在本发明中，(S3)是对在(S2)中获得的莱赛尔复丝进行水洗的步骤。具体地，将在(S2)中获得的莱赛尔复丝通过拉伸辊转移到水洗浴中，并因此用水洗涤。
在水洗细丝时，考虑到水洗处理后溶剂的回收和再利用，可以使用0℃至100℃的水洗溶液。水洗溶液可以包含水，并且根据需要可以进一步包含其它组分。
[(S4)步骤]
在本发明中，(S4)是对在(S3)中水洗后的莱赛尔复丝进行上油的步骤，优选在上油处理后进行干燥。上油处理可以通过将复丝完全浸渍在油中来进行，并且可以使用附接到上油装置的入口辊和释放辊的压辊来保持细丝上的油量均匀。油在与干燥辊和导向件接触时以及在卷曲过程中起到减少细丝的摩擦力的作用，并且还起到在纤维上高效地形成卷曲的作用。油不受特别限制，只要它是通常用于生产细丝的油即可。
[(S5)步骤]
(S5)是使用蒸汽和压力卷曲在(S4)中上油的莱赛尔复丝的步骤。由此，可以通过(S5)获得卷曲丝束。
如本文所使用的，术语“卷曲”是指使细丝形成波浪形以实现纤维的大体积性质。在本发明中，可以使用具有压辊的填塞箱进行卷曲工艺，从而获得每英寸具有30至40个卷曲的卷曲丝束。
这里，优选控制填充箱，以便满足0.1kgf/cm2至3kgf/cm2的蒸汽压力，1.5kgf/cm2至4kgf/cm2的压辊压力，0.1kgf/cm2至3kgf/cm2的上板压力。如果蒸汽压力小于0.1kgf/cm2，则不能高效地形成卷曲。另一方面，如果蒸汽压力超过3kgf/cm2，则供给过量的蒸汽，无法均匀地保持形成的卷曲的形状。
此外，如果压辊的压力小于1.5kgf/cm2，则可能不会形成所需的卷曲数。另一方面，如果该压力超过4kgf/cm2，则按压力过强，因此丝束中存在的水或油的量可能急剧下降，由此细丝不穿过填塞箱。这里，优选将压辊维持在0.01mm至3.0mm的间隙。如果压辊间隙小于0.01mm，则通过辊施加到细丝上的压力增大，使得无法形成卷曲或者由于表面摩擦而引起对形成的细丝的损伤。另一方面，如果压辊间隙超过3.0mm，则在压辊之间可能发生细丝滑动，使得难以形成均匀的卷曲。
如果在通过压辊之后上下移动以形成均匀卷曲的上板的压力小于0.1kgf/cm2，上板由于填塞箱的内部压力而不固定，并且丝束可能长时间保持在填塞箱内，使得不可能保持连续加工。另一方面，如果其压力超过3kgf/cm2，则不能从填塞箱中有效地排出蒸汽，因此可能不规则地形成卷曲。
在上述条件下获得的卷曲丝束具有每英寸具有至少30个卷曲，优选每英寸具有30至40个卷曲。当其以直径为16.5mm至24.5mm的过滤嘴棒的形式提供时，可能导致基于KS HISO 6565的吸入阻力(suction resistance)为约185PD至620PD(mmH2O)。因此，本发明的莱赛尔卷曲丝束可以在短时间内生物降解并消失，因此是环境友好的，并且当其被制成香烟过滤嘴时，可以满足所需的性能，诸如吸入阻力、过滤嘴硬度、过滤嘴去除效率等，并且其效果可以最大化。
本发明的实施方式
通过以下实例可以获得对本发明的更好理解，所述实例用于说明而不应解释为限制本发明的范围。
实例1
通过使具有DPw为820和α-纤维素为93.9％的纤维素浆料与包含0.01wt％的没食子酸丙酯的NMMO/H2O溶剂混合物(重量比NMMO/H2O：90/10)混合来制备用于制造莱赛尔材料的浓度为12wt％的纺丝液。在纺丝温度维持在110℃的条件下，通过圆环形喷丝头的纺丝喷嘴使纺丝液纺丝，同时调节待排出的纺丝液的量和纺丝速率，使得每个细丝的纤度为3.0旦尼尔。
随后，从纺丝喷嘴排出的细丝纺丝液通过气隙供应到凝固浴中的凝固溶液中。这样，纺丝液在气隙中使用温度为8℃且风速为50m/s的冷空气进行初级凝固。然后，使用包含85wt％的水和15wt％的NMMO的凝固溶液在25℃的温度下进行次级凝固。因此，使用传感器和折射计连续监测凝固溶液的浓度。
随后，通过拉伸辊在空气层中拉伸的凝固的细丝，然后使用水洗装置喷射的水洗溶液洗涤以去除剩余的NMMO，然后用油充分均匀地浸渍细丝，然后压制，使得细丝的油含量为0.2％。随后，使用干燥辊在150℃下干燥上油的细丝，然后在通过填塞箱的同时加热，然后通过填塞箱中的压辊卷曲，从而完成莱赛尔卷曲丝束。这里，以0.5kgf/cm2供给蒸汽，压辊的压力和间隙分别为1.5kgf/cm2和1.5mm，上板压力设定为1.0kgf/cm2。
实例2
按照与实例1相同的方式制造用于香烟过滤嘴的莱赛尔材料，不同之处在于在下述条件下使用填塞箱获得卷曲丝束：以1.0kgf/cm2供应蒸汽，压辊的压力和间隙分别为2.0kgf/cm2和1.2mm，上板压力设定为1.5kgf/cm2。
实例3
按照与实例1相同的方式制造用于香烟过滤嘴的莱赛尔材料，不同之处在于在下述条件下使用填塞箱获得卷曲丝束：以1.5kgf/cm2供应蒸汽，压辊的压力和间隙分别为3.0kgf/cm2和1.0mm，上板压力设定为2.0kgf/cm2。
比较例1
按照与实例1相同的方式制造用于香烟过滤嘴的莱赛尔材料，不同之处在于在下述条件下使用填塞箱获得卷曲丝束：以0.5kgf/cm2供给蒸汽，压辊的压力和间隙分别为2.0kgf/cm2和2.0mm，不施加上板压力。
比较例2
按照与实例1相同的方式制造用于香烟过滤嘴的莱赛尔材料，不同之处在于在下述条件下使用填塞箱获得卷曲丝束：以1.0kgf/cm2供给蒸汽，压辊的压力和间隙分别为3.0kgf/cm2和1.5mm，上板压力设定为3.5kgf/cm2。
比较例3
按照与实例1相同的方式制造用于香烟过滤嘴的莱赛尔材料，不同之处在于在下述条件下使用填塞箱获得卷曲丝束：以1.5kgf/cm2供给蒸汽，压辊的压力和间隙分别为4.0kgf/cm2和1.0mm，不施加上板压力。
比较例4
按照与实例1相同的方式制造用于香烟过滤嘴的莱赛尔材料，不同之处在于在下述条件下使用填塞箱获得卷曲丝束：以2.0kgf/cm2供给蒸汽，压辊的压力和间隙分别为5.0kgf/cm2和3.5mm，上板压力设定为1.5kgf/cm2。
<测量>
(1)卷曲数的测量：根据KS K 0326，使用包含4％至5％赛璐珞的醋酸戊酯粘合剂将卷曲未受损的二十个纤维样品粘附到制备好的光面纸片(glossy paper sheet)上(间距25mm)，使得每个纤维样品相对于间隙距离延伸(25±5)％，然后使样品静置以干燥粘合剂。当使用卷曲度测试仪对每个样品施加初始负荷为每1D 1.96/1000cN(2mgf)时，计数25mm的卷曲数，将其平均值确定为小数点后一位。
(2)卷曲均匀性：根据上述测量卷曲数的方法，测量非均匀卷曲X的宽度相对于取样试样的丝束的宽度，根据以下表1中所示的标准确定卷曲等级。
[表1]
Figure BDA0001336919520000081
Figure BDA0001336919520000091
(3)吸入阻力
通过使用上述实例和比较例中制造的丝束，制造具有均匀直径的过滤嘴棒，并且使用符合KS H ISO 6565标准的吸入阻力测试仪测量其吸入阻力。
[表2]
蒸汽压力(kgf/cm<sup>2</sup>) 压辊压力(kgf/cm<sup>2</sup>) 板压力(kgf/cm<sup>2</sup>) 卷曲数(卷曲/英寸) 卷曲状态 吸入阻力(PD)
实例1 0.5 1.5 1.0 30 ○ 340
实例2 1.0 2.0 1.5 34 ◎ 320
实例3 1.5 3.0 2.0 38 ○ 300
比较例1 0.5 2.0 × - × -
比较例2 1.0 3.0 3.5 42 Δ 280
比较例3 1.5 4.0 × 20 × 260
比较例4 2.0 5.0 1.5 - × -
基于性能测量的结果，从表2可以看出，实例1至3的卷曲丝束每英寸至少具有30个卷曲，并且其卷曲状态通常良好。因此，满足常规型香烟过滤嘴所需的吸入阻力300至340。然而，在比较例1至4中，卷曲数比实例相对较低，并且卷曲状态差。特别是在比较例2中，过度施加上板压力，因此卷曲的保持时间延长，从而卷曲数增加，但卷曲状态差，吸入阻力不均匀。
此外，在比较例1和3中没有施加上板压，因此没有形成卷曲或形成少量卷曲，并且在比较例4中，其中压辊压力太高，丝束中存在的水或油的量急剧下降，因此没有正常形成卷曲。在不在上述处理范围的条件下进行本发明的处理的情况下，不能形成具有良好卷曲的丝束，因此吸入阻力显著降低，不适合用于香烟过滤嘴用纤维。

Claims (8)

1.一种制造用于香烟过滤嘴的莱赛尔材料的方法，包括：
(S1)对包含8wt％至13wt％的纤维素浆料和87wt％至92wt％的N-甲基吗啉-N-氧化物(NMMO)水溶液的莱赛尔纺丝液进行纺丝；
(S2)使在(S1)中纺丝后的所述莱赛尔纺丝液凝固，从而得到莱赛尔复丝；
(S3)对在(S2)中得到的所述莱赛尔复丝进行水洗；
(S4)对在(S3)中水洗后的所述莱赛尔复丝进行上油；以及
(S5)向在(S4)中得到的所述莱赛尔复丝施加蒸汽和压力，从而得到每英寸具有34至40个卷曲的卷曲丝束，其中，蒸汽压力为0.1kgf/cm2至3kgf/cm2，压辊压力为1.5kgf/cm2至4kgf/cm2，并且上板压力为0.1kgf/cm2至3kgf/cm2。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，在(S1)的所述莱赛尔纺丝液中，所述纤维素浆料包含85wt％至99wt％的α-纤维素，并且所述纤维素浆料具有600至1700的聚合度。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，在(S2)中的凝固包括：使用空气淬冷(Q/A)的初级凝固，包括向纺丝液供应冷空气；以及次级凝固，包括将初级凝固的纺丝液浸渍在凝固溶液中。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，通过向所述纺丝液供应温度为4℃至15℃且风速为30m/s至120m/s的冷空气来进行空气淬冷，并且
所述凝固溶液具有30℃以下的温度。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，(S5)使用填塞箱进行。
6.一种用于香烟过滤嘴的莱赛尔材料，通过下述方式来制造：对包含纤维素浆料和N-甲基吗啉-N-氧化物(NMMO)水溶液的莱赛尔纺丝液进行纺丝以生成莱赛尔复丝，并向所述莱赛尔复丝施加蒸汽和压力以得到卷曲丝束，其中，蒸汽压力为0.1kgf/cm2至3kgf/cm2，压辊压力为1.5kgf/cm2至4kgf/cm2，并且上板压力为0.1kgf/cm2至3kgf/cm2，
其中，所述卷曲丝束每英寸具有34至40个卷曲。
7.根据权利要求6所述的莱赛尔材料，其中，所述莱赛尔纺丝液包含8wt％至13wt％的纤维素浆料以及87wt％至92wt％的N-甲基吗啉-N-氧化物水溶液。
8.根据权利要求6或7所述的莱赛尔材料，其中，所述纤维素浆料包含85wt％至99wt％的α-纤维素，并且所述纤维素浆料具有600至1700的聚合度。
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