CN108542001A - 一种基于复合相变材料的中空纤维膜过滤器及其应用 - Google Patents
一种基于复合相变材料的中空纤维膜过滤器及其应用 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及烟草滤棒制造技术领域，旨在提供一种基于复合相变材料的中空纤维膜过滤器及其应用。该过滤器，包括包裹材料；还包括中空纤维膜；包裹材料内包裹多根平行排列、聚结成束的中空纤维膜形成均匀的圆柱形棒材，中空纤维膜间的间隙及中空纤维膜内部的轴向孔道形成气体流道；中空纤维膜由高分子复合相变材料制成，复合相变材料为高分子成膜材料与高分子相变材料的混合物。该过滤器应用于烟草制品中。本发明产品极大地提高了过滤器与烟气接触交换比表面，从而提升热交换速率，快速降低高温烟气的瞬时温度。
Description
技术领域
本发明属于烟草滤棒制造技术领域，具体涉及一种基于复合相变材料的中空纤维膜过滤器及其应用。
背景技术
近年来，电子烟、加热不燃烧烟草制品等新型烟草制品正在快速兴起。电子烟并不直接使用烟丝形态的烟草，主要是将来源于烟草的尼古丁液体雾化形成气状物。加热不燃烧烟草制品是利用外部热源加热烟草而不是点燃烟草以产生具有烟草风味气体，有炭加热、电加热等方式。新型烟草被誉为传统烟草产品的一个更健康的替代品，烟气中的有害物质相对较少。但是由于新型烟草采用密闭加热的方式，且烟支较短，导致入口烟气温度过烫，在抽吸体验与抽吸感受等方面与传统卷烟尚存在较大差距。因此，选取合适的降温材料对降低烟气温度、提高烟气口感具有重要的意义。
专利201210336384公开了一种可降低烟气温度的滤嘴棒及其制备方法，在包裹材料正面通过胶层附着微孔铝层，利用微孔铝的冷凝作用降低烟气温度，但是该发明仅用于传统烟草，对于出口烟气温度更高的新型烟草效果不明。
专利201710785910.9公开了一种增香降温基棒，在滤棒中掺杂一定比例的直径为0.45～0.6mm的聚乳酸纤维颗粒或醋酸纤维颗粒。专利201710785572.9公开了一种降温增香薄膜聚拢基棒，在滤棒中包裹锯齿状且具有若干大小和形状均不规则的烟气通道的折叠状聚乳酸纤维薄膜或醋酸纤维薄膜。不论是颗粒材料还是薄膜材料，共同的问题是堆积密度较小，材料与烟气接触面积有限，难以实现对烟气快速降温的作用。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种基于复合相变材料的中空纤维膜过滤器，尤其是提供一种可以实现高温烟气瞬时降温、并适度吸附烟尘、焦油等有害物质的过滤器。本发明提供的基于复合材料的中空纤维膜过滤器的出口烟气温度低于45℃，降温幅度大于30％。
为解决技术问题，本发明的解决方案是：
提供一种基于复合相变材料的中空纤维膜过滤器，包括中空纤维膜与包裹材料；包裹材料内包裹多根平行排列、聚结成束的中空纤维膜形成均匀的圆柱形棒材，中空纤维膜间的间隙及中空纤维膜内部的轴向孔道形成气体流道；中空纤维膜由高分子复合相变材料制成，复合相变材料为高分子成膜材料与高分子相变材料的混合物。
作为一种改进，中空纤维膜为中空纤维超滤膜或中空纤维微滤膜。
作为一种改进，中空纤维膜直径为0.2～1.8mm，壁厚为0.04～0.40mm，孔径为0.02～2.0μm，孔隙率为50～80％。中空纤维膜作为一种多孔材料，其结构对高分子相变材料与高温烟气的热交换速率有着决定性影响。一般而言，中空纤维膜直径越小、平均孔径越小、孔隙率越高，则材料表面积越大，热交换速率也越快。
作为一种改进，高分子成膜材料为聚砜、聚醚砜、聚醚砜酮、磺化聚砜、聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚全氟羧酸、聚全氟磺酸、醋酸纤维素、硝酸纤维素、羧甲基纤维素、乙基纤维素、再生纤维素、聚酰胺、聚酰亚胺、聚苯砜对苯二甲酰胺、芳香聚酰胺酰肼、聚丙烯、聚乙烯、聚丙烯腈、聚氯乙烯、聚丙烯酸、聚乙烯醇、聚丙烯酰胺、聚苯乙烯、乙烯-乙烯醇共聚物、聚氨酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯并咪唑、聚吡嗪酰胺、壳聚糖、甲壳素、聚乳酸、聚电解质、聚醚嵌段共聚物、聚乙烯吡咯烷酮、聚间苯二甲酰间苯二胺、有机硅的一种或任意两种的混合物，优选聚丙烯、聚乙烯、磺化聚砜、聚砜、聚醚砜、聚丙烯腈、聚氯乙烯、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、醋酸纤维素、聚酰亚胺的一种或任意两种的混合物。
作为一种改进，过滤器中的中空纤维膜填充率为20～80％，优选60～80％。
作为一种改进，高分子相变材料含量为1.0～50.0wt％，是PEG-1500、PEG-2000、PEG-4000、PEG-6000、PEG-8000、PEG-10000、PEG-15000、PEG-20000、聚乙二醇接枝共聚物以及聚乙二醇嵌段共聚物的一种或任意两种的混合物。由于高分子相变材料与聚合物成膜材料仅仅是物理混合，较弱的相互作用使得高分子相变材料的添加量存在一个上限值，超过这个上限值后高分子相变材料易脱附、渗漏。聚乙二醇具有适宜的相变温度和较高的相变潜热，而且无毒害，性能稳定，是一种常用的有机相变材料。聚乙二醇分子量增加时，结晶链节增多，分子间的范德华力也随之增大，相变温度和相变晗均升高；当分子量过大时，由于链节过长，分子链间缠结变多，阻碍形成规整的结晶，相变晗下降。因此，通过控制聚乙二醇分子量大小，或将不同分子量的聚乙二醇共混，可以对其热性能参数进行调节，从而灵活调节相变起始温度以及相变晗。
作为一种改进，包裹材料为卷烟纸。
作为一种改进，过滤器长度为0.2～2.0cm。
本发明还提供了一种基于复合相变材料的中空纤维膜过滤器在烟草制品中的应用。
发明原理：
物质由一种状态变为另一种状态叫相变。相变过程中单位质量的物质吸收或放出的热量叫相变潜热，该值远远高于物质在普通升/降温时的热量变化值。例如，冰融化的相变晗为333kJ/kg，而水升温的比热容仅为4.2kJ/kg·K，前者是后者的80倍左右。本发明采用高分子相变材料与成膜聚合物共混纺丝，制备基于复合相变材料的聚合物中空纤维超/微滤膜，并应用于烟草滤嘴。中空纤维膜结构极大地提高了过滤器与烟气接触交换比表面，结合高分子复合相变材料受热发生固-固/固-液相变的相变晗，可以有效降低高温烟气的瞬时温度。
复合相变材料为高分子成膜材料与高分子相变材料的混合物。发明人在研究过程中发现，相变材料的相变点应靠近人体舒适的口感温度(小于50℃)，才能将高温烟气充分降温。固-固相变材料因为相变温度较高(通常大于100℃)，缺乏应用价值。而固-液相变材料发生相变后会生成液体，容易堵塞气道，导致其使用受限。将固-液相变材料与其他材料复合定形，可以使其在相变前后均能维持固态，在宏观上表现为固-固相变。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、采用高分子相变材料与成膜聚合物共混纺丝，利用高分子复合相变材料受热发生固-固相变或固-液相变的相变晗降低高温烟气的瞬时温度，相变温度45～70℃，相变晗为140～175kJ/kg，远远高于烟草行业通常所用降温物质在升温时的热量变化值(<3kJ/kg·K)。
2、以高孔隙率的聚合物中空纤维超/微滤膜为载体，极大地提高了过滤器与烟气接触交换比表面，从而提升热交换速率，快速降低高温烟气的瞬时温度。
3、聚合物中空纤维超/微滤膜材料表面张力可调，在适度吸附烟尘、焦油等有害物质的同时，不影响烟气透过。
附图说明
图1为本发明一种基于复合相变材料的中空纤维膜过滤器的径向截面示意图；
图2为本发明中的中空纤维膜的径向截面的扫描电镜图；
图3为实施例1-10中的测温点位置示意图。
图中，1-包裹材料；2-中空纤维膜；3-烟草材料段；4-三元复合嘴棒；5-第一测温点；6-第二测温点；7-第三测温点。
具体实施方式
以下的实施例可以使本专业技术领域的技术人员更全面的了解本发明，但不以任何方式限制本发明。
一种基于复合相变材料的中空纤维膜过滤器，长度为0.2～2.0cm，包括包裹材料1与中空纤维膜2。包裹材料1为卷烟纸，包裹材料1内包裹多根平行排列、聚结成束的中空纤维膜2形成均匀的圆柱形棒材，中空纤维膜2填充率为20～80％。中空纤维膜2为中空纤维超滤膜或中空纤维微滤膜，直径为0.2～1.8mm，壁厚为0.04～0.40mm，孔径为0.02～2.0μm，孔隙率为50～80％。中空纤维膜2间的间隙及中空纤维膜2内部的轴向孔道形成气体流道。
中空纤维膜2由高分子复合相变材料制成；复合相变材料为高分子成膜材料与高分子相变材料的混合物；高分子相变材料含量为1.0～50.0wt％，是PEG-1500、PEG-2000、PEG-4000、PEG-6000、PEG-8000、PEG-10000、PEG-15000、PEG-20000、聚乙二醇接枝共聚物以及聚乙二醇嵌段共聚物的一种或任意两种的混合物；
高分子成膜材料为聚砜、聚醚砜、聚醚砜酮、磺化聚砜、聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚全氟羧酸、聚全氟磺酸、醋酸纤维素、硝酸纤维素、羧甲基纤维素、乙基纤维素、再生纤维素、聚酰胺、聚酰亚胺、聚苯砜对苯二甲酰胺、芳香聚酰胺酰肼、聚丙烯、聚乙烯、聚丙烯腈、聚氯乙烯、聚丙烯酸、聚乙烯醇、聚丙烯酰胺、聚苯乙烯、乙烯-乙烯醇共聚物、聚氨酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯并咪唑、聚吡嗪酰胺、壳聚糖、甲壳素、聚乳酸、聚电解质、聚醚嵌段共聚物、聚乙烯吡咯烷酮、聚间苯二甲酰间苯二胺、有机硅的一种或任意两种的混合物。
实施例1
如图1所示，一种基于复合相变材料的中空纤维膜过滤器，由卷烟纸包裹若干根平行排列、集结成束的聚丙烯中空纤维超滤膜，形成长度为0.2cm的圆柱体棒材。聚丙烯中空纤维超滤膜含有30.0wt％的PEG-20000，其平均孔径为0.02μm，孔隙率为50％，直径为0.2mm，壁厚为0.04mm，填充率为80％。
实施例2
如图1所示，一种基于复合相变材料的中空纤维膜过滤器，由卷烟纸包裹若干根平行排列、集结成束的聚乙烯中空纤维超滤膜，形成长度为0.4cm的圆柱体棒材。聚乙烯中空纤维超滤膜含有25.0wt％的PEG-15000，其平均孔径为0.05μm，孔隙率为57％，直径为0.3mm，壁厚为0.05mm，填充率为76％。
实施例3
如图1所示，一种基于复合相变材料的中空纤维膜过滤器，由卷烟纸包裹若干根平行排列、集结成束的磺化聚砜-聚砜中空纤维微滤膜，形成长度为0.6cm的圆柱体棒材。磺化聚砜-聚砜中空纤维微滤膜含有20.0wt％的PEG-10000，其平均孔径为0.1μm，孔隙率为62％，直径为0.4mm，壁厚为0.06mm，填充率为74％。
实施例4
如图1所示，一种基于复合相变材料的中空纤维膜过滤器，由卷烟纸包裹若干根平行排列、集结成束的聚醚砜中空纤维微滤膜，形成长度为0.8cm的圆柱体棒材。聚醚砜中空纤维微滤膜含有15.0wt％的PEG-8000，其平均孔径为0.2μm，孔隙率为65％，直径为0.5mm，壁厚为0.08mm，填充率为72％。
实施例5
如图1所示，一种基于复合相变材料的中空纤维膜过滤器，由卷烟纸包裹若干根平行排列、集结成束的聚丙烯腈中空纤维微滤膜，形成长度为1.0cm的圆柱体棒材。聚丙烯腈中空纤维微滤膜含有10.0wt％的PEG-6000，其平均孔径为0.45μm，孔隙率为72％，直径为0.6mm，壁厚为0.1mm，填充率为70％。
实施例6
如图1所示，一种基于复合相变材料的中空纤维膜过滤器，由卷烟纸包裹若干根平行排列、集结成束的聚氯乙烯中空纤维微滤膜，形成长度为1.2cm的圆柱体棒材。聚氯乙烯中空纤维微滤膜含有1.0wt％的PEG-4000，其平均孔径为1.0μm，孔隙率为74％，直径为0.9mm，壁厚为0.2mm，填充率为65％。
实施例7
如图1所示，一种基于复合相变材料的中空纤维膜过滤器，由卷烟纸包裹若干根平行排列、集结成束的聚四氟乙烯中空纤维微滤膜，形成长度为1.5cm的圆柱体棒材。聚四氟乙烯中空纤维微滤膜含有50.0wt％的聚乙二醇接枝共聚物，其平均孔径为2.0μm，孔隙率为80％，直径为1.3mm，壁厚为0.3mm，填充率为60％。
实施例8
如图1所示，一种基于复合相变材料的中空纤维膜过滤器，由卷烟纸包裹若干根平行排列、集结成束的聚偏氟乙烯中空纤维微滤膜，形成长度为2.0cm的圆柱体棒材。聚偏氟乙烯中空纤维微滤膜含有30.0wt％的聚乙二醇嵌段共聚物，其平均孔径为0.1μm，孔隙率为63％，直径为1.8mm，壁厚为0.4mm，填充率为20％。
实施例9
如图1所示，一种基于复合相变材料的中空纤维膜过滤器，由卷烟纸包裹若干根平行排列、集结成束的醋酸纤维素中空纤维微滤膜，形成长度为0.4cm的圆柱体棒材。醋酸纤维素中空纤维微滤膜含有20.0wt％的PEG-20000与5.0wt％的PEG-1500，其平均孔径为0.2μm，孔隙率为66％，直径为0.5mm，壁厚为0.08mm，填充率为72％。
实施例10
如图1所示，一种基于复合相变材料的中空纤维膜过滤器，由卷烟纸包裹若干根平行排列、集结成束的聚酰亚胺中空纤维微滤膜，形成长为0.6cm的圆柱体棒材。聚酰亚胺中空纤维微滤膜含有15.0wt％的PEG-15000与5.0wt％的PEG-2000，其平均孔径为0.45μm，孔隙率为70％，直径为0.6mm，壁厚为0.1mm，填充率为70％。
值得注意的是：除上述实施例以外，本行业技术人员在不付出创造性劳动的情况下，将高分子成膜材料替换为以下材料：聚醚砜酮、聚全氟羧酸、聚全氟磺酸、硝酸纤维素、羧甲基纤维素、乙基纤维素、再生纤维素、聚酰胺、聚苯砜对苯二甲酰胺、芳香聚酰胺酰肼、聚丙烯酸、聚乙烯醇、聚丙烯酰胺、聚苯乙烯、乙烯-乙烯醇共聚物、聚氨酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯并咪唑、聚吡嗪酰胺、壳聚糖、甲壳素、聚乳酸、聚电解质、聚醚嵌段共聚物、聚乙烯吡咯烷酮、聚间苯二甲酰间苯二胺、有机硅及其任意两种的组合物，其余条件仿照上述实施例设置，均能达到预期效果。
上述各个实施例所得的基于复合相变材料的中空纤维膜过滤器，经下列测试方法进行性能测试评价，测试结果见表1。
1、降温效果测试
将所得基于复合相变材料的中空纤维膜过滤器与烟草材料组成四元复合结构(烟草材料段3+三元复合嘴棒4)，其中三元复合嘴棒的中间段为基于复合相变材料的中空纤维膜过滤器。实验选取3个测温点5、6、7，分别位于相应位置烟支横截面的圆心，如图1所示。
温度降幅计算方法：x＝(T第一测温点－T第二测温点)/T第一测温点
表1采用不同实施例过滤器的烟支温度测试结果
本发明的实际范围不仅包括所公开的实施例，还包括在权利要求书之下实施或者执行本发明的所有等效方案。
Claims (9)
1.一种基于复合相变材料的中空纤维膜过滤器，包括包裹材料；其特征在于，还包括中空纤维膜，所述包裹材料内包裹多根平行排列、聚结成束的中空纤维膜形成均匀的圆柱形棒材，中空纤维膜间的间隙及中空纤维膜内部的轴向孔道形成气体流道；所述中空纤维膜由高分子复合相变材料制成，复合相变材料为高分子成膜材料与高分子相变材料的混合物。
2.根据权利要求1所述的过滤器，其特征在于，所述中空纤维膜为中空纤维超滤膜或中空纤维微滤膜。
3.根据权利要求1所述的过滤器，其特征在于，所述中空纤维膜，直径为0.2～1.8mm，壁厚为0.04～0.40mm，孔径为0.02～2.0μm，孔隙率为50～80％。
4.根据权利要求1所述的过滤器，其特征在于，所述高分子成膜材料为聚砜、聚醚砜、聚醚砜酮、磺化聚砜、聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚全氟羧酸、聚全氟磺酸、醋酸纤维素、硝酸纤维素、羧甲基纤维素、乙基纤维素、再生纤维素、聚酰胺、聚酰亚胺、聚苯砜对苯二甲酰胺、芳香聚酰胺酰肼、聚丙烯、聚乙烯、聚丙烯腈、聚氯乙烯、聚丙烯酸、聚乙烯醇、聚丙烯酰胺、聚苯乙烯、乙烯-乙烯醇共聚物、聚氨酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯并咪唑、聚吡嗪酰胺、壳聚糖、甲壳素、聚乳酸、聚电解质、聚醚嵌段共聚物、聚乙烯吡咯烷酮、聚间苯二甲酰间苯二胺、有机硅的一种或任意两种的混合物。
5.根据权利要求1所述的过滤器，其特征在于，所述过滤器中的中空纤维膜填充率为20～80％。
6.根据权利要求1所述的过滤器，其特征在于，所述高分子相变材料含量为1.0～50.0wt％，是PEG-1500、PEG-2000、PEG-4000、PEG-6000、PEG-8000、PEG-10000、PEG-15000、PEG-20000、聚乙二醇接枝共聚物以及聚乙二醇嵌段共聚物的一种或任意两种的混合物。
7.根据权利要求1所述的过滤器，其特征在于，所述包裹材料为卷烟纸。
8.根据权利要求1所述的过滤器，其特征在于，所述过滤器长度为0.2～2.0cm。
9.如权利要求1-8所述的一种基于复合相变材料的中空纤维膜过滤器在烟草制品中的应用。
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