CN108514154A - 一种烟气过滤材料及其制备方法和用途 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种烟气过滤材料,所述烟气过滤材料沿烟气进入方向依次包括第一二醋酸纤维素膜层、亲油性高分子材料膜层和第二二醋酸纤维素膜层;本发明还提供了一种烟气过滤材料的制备方法和用途;本发明所提供的烟气过滤材料提高了对焦油的吸附功能,还可同时过滤烟雾颗粒和有害气体,并且烟气过滤材料中烟气的水分提升,增加湿润度,在应用于香烟滤嘴时,降低了烟气带来的干燥的不适感,提升了口感,具有广阔的应用前景和较高的应用价值。
Description
技术领域
本发明属于材料领域,涉及一种烟气过滤材料及其制备方法和用途。
背景技术
卷烟燃烧产生的烟雾中含有大量直接致癌化学物质,其中焦油的含量最高。焦油是有机质在缺氧条件下,不完全燃烧的产物,其主要成分为众多烃类及烃的氧化物、硫化物和氮化物的复杂混合物,包括镉、砷、胺、亚硝胺及放射性同位素等多种致癌物质和苯酚类、富马酸等促癌物质。
目前市面上的香烟产品通常使用二醋酸纤维素作为滤棒材料避免吸烟者直接大量吸入烟雾,但其对于卷烟烟雾中焦油的吸收仍具有优化的空间。
CN107048476A公开了一种吸附卷烟烟气中焦油的滤嘴,包括吸段、卷烟段及两者之间的空隙段,其中卷烟段为掺入粗孔硅胶的二醋酸纤维素,空隙段为掺入了活性碳纤维的二醋酸纤维素丝束;其所用粗孔硅胶孔容大于0.781mL/g、比表面积小于450m2/g,所用活性碳纤维直径为5-20μm、比表面积为1000-1500m2/g,活性碳的加入能够增强对烟气中气相物质的吸收。
CN106805292A公开了一种含有活性炭的香烟过滤嘴。过滤嘴总长度20~30mm,由成型纸和过滤介质组成,所述成型纸为水松纸,所述过滤介质由两部分组成:靠近唇部的部分为醋酸纤维,占总长度1/5~1/3,靠近烟体的部分为活性炭,占总长度2/3~4/5,与传统的醋酸纤维过滤嘴相比,活性炭的加入能更有效吸附去除烟雾中一氧化碳等有害气体,减少焦油和尼古丁吸入量。
CN106805290A公开了一种新型香烟过滤嘴,总长度20~30mm,包括外包纸和过滤介质,所述外包纸为水松纸,所述过滤介质由两部分组成:靠近唇部的部分为混合纤维,占总长度1/3~1/2,靠近烟体的部分为醋酸纤维,占总长度1/2~2/3,所述混合纤维为海藻纤维与醋酸纤维的混合物,能有效中和香烟中的有害自由基,降低烟草对人体的伤害。
但是,吸烟过程中产生的烟雾中主要含有两种物质:1、烟雾颗粒,包括煤焦油,直径约0.1-1.0微米;2、包括亚硝酸胺、一氧化碳等有害气体,直径约0.001微米。传统的醋酸纤维滤材的纤维直径一般在20微米左右,拦截煤焦油及更小颗粒的有害气体较为困难。此外,二醋酸纤维素分子中含有较多亲水基团,其对焦油的吸附性能在高分子材料中表现一般,故香烟滤嘴的过滤性能有很大的提升空间。
因此,如何进一步提升香烟滤嘴的过滤性能,拦截焦油及更小颗粒,同时提升口感,还需要进一步开发研究。
发明内容
本发明的目的在于提供一种烟气过滤材料及其制备方法和用途。
为达到此发明目的,本发明采用以下技术方案:
第一方面,本发明提供了一种烟气过滤材料,所述烟气过滤材料沿烟气进入方向依次包括第一二醋酸纤维素膜层、亲油性高分子材料膜层和第二二醋酸纤维素膜层。
本发明提供的烟气过滤材料,通过两层二醋酸纤维素膜层夹亲油性高分子材料膜层的方式,相比于传统的醋酸纤维滤材,提高了烟气过滤材料的亲油性能,增强了对焦油的吸附功能,还可同时过滤烟雾颗粒和有害气体,并且通过二醋酸纤维素与亲油性高分子材料的合理搭配,相对降低了亲水性的二醋酸纤维素的比例,使得烟气过滤材料亲油性提升,吸油性能提高,从而提升了烟气过滤材料中烟气的水分,增加湿润度,在应用于香烟滤嘴时,降低了烟气带来的干燥的不适感,提升了口感。
在本发明中,二醋酸纤维素膜层能够过滤常规烟雾颗粒,而无法拦截煤焦油、小颗粒有害物质等,而亲油性高分子材料膜层可以吸附焦油等有害物质,并且二者搭配使用,协同发挥作用,进一步提升了烟气过滤材料的整体过滤性能。
优选地,所述第一二醋酸纤维素膜层和所述第二二醋酸纤维素膜层的厚度均独立地选自2-25μm,例如可以是2μm、3μm、4μm、5μm、6μm、7μm、8μm、10μm、12μm、15μm、18μm、20μm、22μm或25μm。
在本发明中,所使用的二醋酸纤维素可以是生产原料,也可以是滤棒厂生产过程中产生的废二醋酸纤维丝束,从而节约成本。
优选地,所述亲油性高分子材料膜层包括聚偏氟乙烯膜层(PVDF膜层)、聚苯乙烯膜层(PS膜层)、聚丙烯腈膜层(PAN膜层)或聚砜膜层(PSU膜层)中的任意一种或至少两种的组合。
优选地,所述第一层二醋酸纤维素膜与第二层二醋酸纤维素膜的固含量之和与亲油性高分子膜层的固含量比值为(9-20):1,例如可以是9:1、10:1、11:1、12:1、13:1、14:1、15:1、16:1、17:1、18:1、19:1或20:1。在本发明中,第一层二醋酸纤维素膜与第二层二醋酸纤维素膜中所使用的二醋酸纤维素总固含量与亲油性高分子材料的固含量比值为(9-20):1,如果二醋酸纤维素总固含量占比过低,低于8:1,则亲油性高分子添加的增益作用不够明显,浪费原料和成本;而如果二醋酸纤维素总固含量占比过高,高于20:1,则烟气过滤材料对于焦油的吸附性能不佳,并且水分降低,口感降低。
优选地,所述烟气过滤材料还包括设置于第二层二醋酸纤维素膜远离亲油性高分子材料膜层一侧的无纺布层。
优选地,所述无纺布为聚对苯二甲酸乙二醇酯无纺布或聚乳酸无纺布。
第二方面,本发明提供了一种如第一方面所述的烟气过滤材料的制备方法,所述制备方法包括:通过静电纺丝在基底层上依次电纺第二二醋酸纤维素膜层、亲油性高分子材料膜层和第一二醋酸纤维素膜层,得到烟气过滤材料。
在本发明中,通过静电纺丝制备得到的烟气过滤材料,纤维直径在150-450nm之间,相比于直径为20μm左右的传统醋酸纤维滤材,其拦截煤焦油及有害气体效果更好,对焦油的吸附性能更佳。
优选地,所述第一二醋酸纤维膜层的纤维直径和所述第二二醋酸纤维素膜层的纤维直径均独立地选自150-450nm,例如可以是150nm、180nm、200nm、260nm、280nm、300nm、320nm、350nm、380nm、400nm、410nm、430nm或450nm。
在本发明中,通过静电纺丝的方法获得的纤维直径,一般均在此直径范围内,如果得到的纤维直径过大,会导致纤维比表面积减小,降低过滤效果。
优选地,所述亲油性高分子材料膜层的纤维直径为100-400nm,例如可以是100nm、150nm、180nm、200nm、230nm、250nm、300nm、350nm、370nm或400nm。
优选地,所述基底层为无纺布层。
第三方面,本发明提供了一种如第一方面所述的烟气过滤材料的用途,所述烟气过滤材料用作香烟过滤材料或用作抽油烟机烟气吸附材料。
在本发明中,烟气过滤材料不仅仅局限于上述两种用途,还可以用作其他具有油烟、烟气过滤功能的设备或机器中。
第四方面,本发明提供了一种香烟过滤棒,所述香烟过滤棒包括如第一方面所述的烟气过滤材料。
本发明提供的香烟过滤棒可以直接使用烟气过滤材料制备而成,也可以使用烟气过滤材料作为滤芯搭配本领域公知的制备滤棒的材料、香烟纸等材料制备而成,示例性的如:
(1)直接使用烟气过滤材料制备第一香烟过滤棒:将烟气过滤材料直接填充进烟纸卷筒中,制备成香烟过滤棒,具体结构如图2所示。
(2)使用烟气过滤材料作为香烟过滤棒的滤芯,制备第二香烟过滤棒:将烟气过滤材料作为滤棒的滤芯(滤棒中可以包含至少一个由烟气过滤材料制备而成的滤芯),填充进圆柱形烟纸卷筒中,筒体中还包括如活性炭、阻燃材料等其他填充材料,制备成香烟过滤棒,具体结构如图3所示。
香烟过滤棒的制备流程可根据现有本领域技术人员公知的方法制备得到。
相对于现有技术,本发明具有以下有益效果:
本发明提供的烟气过滤材料,通过两层二醋酸纤维素膜层夹亲油性高分子材料膜层的方式,相比于传统的醋酸纤维滤材,提高了烟气过滤材料的亲油性能,增强了对焦油的吸附功能,还可同时过滤烟雾颗粒和有害气体,并且通过二醋酸纤维素与亲油性高分子材料的合理搭配,相对降低了亲水性的二醋酸纤维素的比例,使得烟气过滤材料亲油性提升,吸油性能提高,从而提升了烟气过滤材料中烟气的水分,增加湿润度,在应用于香烟滤嘴时,降低了烟气带来的干燥的不适感,提升了口感。
附图说明
图1是本发明制备的烟气过滤材料结构示意图,其中1-无纺布层,2-第二二醋酸纤维素膜层,3-亲油性高分子膜层,4-第一二醋酸纤维素膜层。
图2是本发明提供的第一香烟过滤棒的剖面结构示意图,其中1-无纺布层,2-第二二醋酸纤维素膜层,3-亲油性高分子膜层,4-第一二醋酸纤维素膜层,5-烟纸卷筒。
图3是本发明提供的第二香烟过滤棒的剖面结构示意图,其中1-无纺布层,2-第二二醋酸纤维素膜层,3-亲油性高分子膜层,4-第一二醋酸纤维素膜层,5-烟纸卷筒,6-其他填充材料。
具体实施方式
下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。本领域技术人员应该明了,所述实施例仅仅是帮助理解本发明,不应视为对本发明的具体限制。
在本发明以下实施例中,通过静电纺丝的方法制备二醋酸纤维素膜层和亲油性高分子材料膜层,所述静电纺丝的条件控制为如下参数:纺丝电压在10-30kV,喷丝距离5-30cm,纺丝液浓度为10-30%。具体到每一种膜层的静电纺丝条件,本领域技术人员可以根据自己掌握的专业知识依据实施例和对比例中对相应膜层的厚度及纤维直径进行选择。
实施例1
一种烟气过滤材料包括依次设置的无纺布层1,15μm厚的二醋酸纤维素膜层2,3μm厚的PVDF纤维膜层3,20μm厚二醋酸纤维素膜层4,烟气过滤材料的纤维直径为200nm;所述二醋酸纤维素层总固含量和亲油性高分子材料膜层的固含量比值为18:1。
实施例2
一种烟气过滤材料包括依次设置的无纺布层1,20μm厚的二醋酸纤维素膜层2,4μm厚的PAN纤维膜层3,10μm厚二醋酸纤维素膜层4,烟气过滤材料的纤维直径为230nm;所述二醋酸纤维素层总固含量和亲油性高分子材料膜层的固含量比值为12:1。
实施例3
一种烟气过滤材料包括依次设置的无纺布层1,10μm厚的二醋酸纤维素膜层2,5μm厚的PVDF纤维膜层3,12μm厚二醋酸纤维素膜层4,烟气过滤材料的纤维直径为450nm;所述二醋酸纤维素层总固含量和亲油性高分子材料膜层的固含量比值为15:1。
实施例4
一种烟气过滤材料包括依次设置的无纺布层1,14μm厚的二醋酸纤维素膜层2,7μm厚的PSU纤维膜层3,19μm厚二醋酸纤维素膜层4,烟气过滤材料的纤维直径为450nm;所述二醋酸纤维素层总固含量和亲油性高分子材料膜层的固含量比值为9:1。
实施例5
一种烟气过滤材料包括依次设置的无纺布层1,12μm厚的二醋酸纤维素膜层2,3μm厚的PVDF纤维膜层3,15μm厚二醋酸纤维素膜层4,烟气过滤材料的纤维直径为220nm;所述二醋酸纤维素层总固含量和亲油性高分子材料膜层的固含量比值为20:1。
实施例6
本实施例与实施例1的区别仅在于,控制纺丝条件使得二醋酸纤维素总固含量与亲油性高分子材料的固含量比值为23:1。
实施例7
本实施例与实施例1的区别仅在于,控制纺丝条件使得二醋酸纤维素总固含量与亲油性高分子材料的固含量比值为6:1。
实施例8
本实施例与实施例1的区别仅在于,控制纺丝条件使得烟气过滤材料的纤维直径为130nm。
实施例9
本实施例与实施例1的区别仅在于,控制纺丝条件使得烟气过滤材料的纤维直径为480nm。
对比例1
一种烟气过滤材料包括依次设置的无纺布层1,15μm厚的二醋酸纤维素膜层2,20μm厚二醋酸纤维素膜层4,烟气过滤材料的纤维直径为200nm;所述二醋酸纤维素层总固含量和亲油性高分子材料膜层的固含量比值为18:1。
对比例2
一种烟气过滤材料包括依次设置的无纺布层1,35μm厚的二醋酸纤维素膜层2,3μm厚的PVDF纤维膜层3,烟气过滤材料的纤维直径为200nm;所述二醋酸纤维素层总固含量和亲油性高分子材料膜层的固含量比值为18:1。
应用例:
将实施例1-9与对比例1-2制备的烟气过滤材料,制成第一香烟过滤棒,并分别采用CeruleanSM450型吸烟机按照ISO3308、YC/T255-2008规定进行卷烟抽吸实验,测定计算主流烟气参数进行烟气分析。
实施例1-9与对比例1-2的烟气分析结果如下表1所示:
表1
通过实施例1-5与实施例6-7的对比可以看出,当烟气过滤材料中二醋酸纤维素总固含量与亲油性高分子材料的固含量过高或过低时,对于烟气过滤材料的整体过滤效果产生影响,过低时,颗粒过滤效果较差;过高时,水分含量较低,影响口感。
通过实施例1-5与实施例8-9的对比可知,本发明中纤维直径会对烟气过滤材料的过滤效果产生细微影响。
通过实施例1-5与对比例1-2的对比可知,当烟气过滤材料的结构发生改变时,对于烟气过滤材料的过滤效果产生较大影响,对于总粒相物、焦油和水分含量的影响较大,综合过滤效果不佳。
申请人声明,本发明通过上述实施例来说明本发明的烟气过滤材料及其制备方法和用途,但本发明并不局限于上述工艺步骤,即不意味着本发明必须依赖上述工艺步骤才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了,对本发明的任何改进,对本发明所选用原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等,均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
Claims (10)
1.一种烟气过滤材料,其特征在于,所述烟气过滤材料沿烟气进入方向依次包括第一二醋酸纤维素膜层、亲油性高分子材料膜层和第二二醋酸纤维素膜层。
2.根据权利要求1所述的烟气过滤材料,其特征在于,所述第一二醋酸纤维素膜层和所述第二二醋酸纤维素膜层的厚度均独立地选自5-25μm。
3.根据权利要求1或2所述的烟气过滤材料,其特征在于,所述亲油性高分子材料膜层包括聚偏氟乙烯膜层、聚苯乙烯膜层、聚丙烯腈膜层或聚砜膜层中的任意一种或至少两种的组合。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的烟气过滤材料,其特征在于,所述第一二醋酸纤维素膜层与第二二醋酸纤维素膜层的固含量之和与亲油性高分子膜层的固含量比值为(9-20):1。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的烟气过滤材料,其特征在于,所述烟气过滤材料还包括设置于第二二醋酸纤维素膜层远离亲油性高分子材料膜层一侧的无纺布层;
优选地,所述无纺布为聚对苯二甲酸乙二醇酯无纺布或聚乳酸无纺布。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的烟气过滤材料的制备方法,其特征在于,所述制备方法包括:通过静电纺丝在基底层上依次电纺第二二醋酸纤维素膜层、亲油性高分子材料膜层和第一二醋酸纤维素膜层,得到烟气过滤材料。
7.根据权利要求6所述的制备方法,其特征在于,所述第一二醋酸纤维膜层的纤维直径和所述第二二醋酸纤维素膜层的纤维直径均独立地选自150-450nm;
优选地,所述亲油性高分子材料膜层的纤维直径为100-400nm。
8.根据权利要求6或7所述的制备方法,其特征在于,所述基底为无纺布层。
9.一种根据权利要求1-5中任一项所述的烟气过滤材料的用途,其特征在于,所述烟气过滤材料用作香烟过滤材料或用作抽油烟机烟气吸附材料。
10.一种香烟过滤棒,其特征在于,所述香烟过滤棒包括如权利要求1-5任一项所述的烟气过滤材料。
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