CN109316830A - 一种烟气过滤复合材料及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种烟气过滤复合材料及其制备方法和应用，所述烟气过滤复合材料为以含有底布的纳米纤维膜为载体，负载有含氮化合物的复合材料；提供的烟气过滤复合材料，通过纳米纤维膜负载含氮化合物的复合材料，相比于现有的物理吸附材料或者化学吸附材料，能有效提升对烟气中有害物质的吸附和过滤效果，尤其对于卷烟烟气中的醛类物质的选择性效果更佳，能够有效降低卷烟烟气对人体的危害；而且通过纳米纤维膜具有的高比表面积、超高的表面积和孔隙率，可以更好的储藏吸附剂，柔性极佳，能够适于添加到各种过滤装置中，应用范围广。

Description

一种烟气过滤复合材料及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于高分子材料领域，涉及一种烟气过滤复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

吸烟对健康造成的损害已成为全球关注的问题。烟气中含有多种有害成分，低分子醛酮类化合物是其中重要的一种，低分子醛酮主要包括甲醛、乙醛、丙酮、丙烯醛、丙醛、巴豆醛、丁酮和丁醛在内的八种化合物，具有较强的纤毛毒性，长期接触会引起慢性鼻炎、神经系统机能障碍等。这其中又以甲醛、丙烯醛以及巴豆醛最为突出，吸入后会抑制肺排泄物的清除，导致肺部疾病。

为了降低卷烟烟气中的有害醛类物质，同时不影响香烟的口感，需要对烟气中的醛类物质进行选择性吸附，主要可以分物理吸附和化学反应吸附两种方法。

物理吸附主要是在过滤嘴中添加活性炭、分子筛、沸石、活性氧化铝等孔隙率高，比表面积大的物质，用以选择性的吸附烟雾中的焦油等有害成分：

CN106805292A公开了一种含有活性炭的香烟过滤嘴。过滤嘴中的过滤介质由两部分组成：靠近唇部的部分为醋酸纤维，靠近烟体的部分为活性炭，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。

CN106824061A以天然辉沸石(STI)颗粒为原料，经焙烧、阳离子交换等方式改性后，添加在过滤嘴二醋酸纤维素丝束中，制备了一种可针对去除主流烟气中可挥发性亚硝胺等有害成分的复合型过滤嘴。

单纯的用物理方法进行吸附，时间长了容易饱和，且脱附容易造成二次污染。

化学反应吸附主要是利用反应剂，选择性地过滤掉烟气中的有害物质，常与物理方法联用，将反应剂负载在高比表面积的材料上，一起填充到过滤嘴中。对于醛类物质，常添加含有氨基、脲基或酰胺基等可与醛基反应的化合物。

CN101194755A以粗孔硅胶为载体，通过改性引入功能性基团，在载体表面和孔道表面覆盖上一层与醛类物质反应的化合物层，将改性后载体应用于卷烟滤嘴，能选择性的降低卷烟烟气中甲醛、乙醛、丙醛、丙烯醛、巴豆醛等醛类物质的含量。以粗硅胶为载体，需要经过马弗炉高温煅烧、盐酸浸渍、聚合反应等步骤，过程较为繁琐，且有一定危险性。

CN101433371A公开了一种降低卷烟烟气中醛类物质的纸质过滤嘴，所用原纸为木浆纤维或麻浆纤维或两种混合制成；降低烟气中有害的醛类物质的成分是由含在原纸中氨基化合物构成，使得氨基化合物占卷烟滤棒纸的重量1％-15％；将氨基化合物添加在木浆纤维或麻浆纤维中，制得含有氨基化合物的复合纤维纸，或在纤维纸上涂覆氨基化合物溶液，制备内含氨基的纸质滤棒，和传统的纸质滤棒相比，能有效的降低烟气中醛类物质的含量。而将氨基化合物添加在纤维中制备复合纤维纸，主要用于纸质滤棒，应用范围有限。

因此，如何进一步提升现有的过滤材料的过滤性能，提升过滤吸附效率，使用安全，并拓展应用范围，还有待进一步研究开发。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种烟气过滤复合材料及其制备方法和应用，以达到提升吸附效果，同时便于储藏吸附剂和应用于各种过滤装置中，拓展应用范围的目的。

为达此目的，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复合材料，所述烟气过滤复合材料为覆有纳米纤维膜的底布为载体，负载有含氮化合物的复合材料。

本发明通过纳米纤维膜负载含氮化合物的复合材料，能有效提升对烟气中有害物质的吸附和过滤效果，并且纳米纤维膜具有高的比表面积、超高的表面积和孔隙率，可以更好的储藏吸附剂，柔性极佳，能够适于添加到各种过滤装置中，应用范围广。

本发明提供的复合材料，对于卷烟烟气中的醛类物质的选择性吸附相比于吸附其他物质，吸附效果更佳，能够有效降低卷烟烟气对人体的危害。

而目前有氨基化合物应用于制备复合纤维时，其应用为纤维纸直接做成滤棒，也就是说仅限于纸质滤棒的制备，应用非常局限。

优选地，所述底布为瓦楞纸或无纺布。

优选地，所述纳米纤维膜的制备原料包括二醋酸纤维素、聚丙烯腈、聚苯乙烯、聚乙烯醇、聚氨酯或聚偏氟乙烯中的任意一种。

本发明中纳米纤维膜的制备原料并不仅仅限于上述所列举的种类，任何可纺的高分子材料均可作为纳米纤维膜的制备原料。

优选地，所述纳米纤维膜的制备原料为二醋酸纤维素。

在本发明中，使用二醋酸纤维素作为原料制备出的纳米纤维膜能够与含氮化合物共同产生更良好的效果，相比于其他的制备原料，更具有优势。

优选地，所述纳米纤维膜的纤维直径为100～350nm，例如可以是100nm、110nm、120nm、130nm、140nm、145nm、148nm、149nm、150nm、200nm、210nm、250nm、300nm或350nm等。

本发明提供的纳米纤维膜，纤维直径在100～350nm，相比于传统的纤维直径一般在20μm醋酸纤维滤材，对于醛类的吸附效果更好。

优选地，所述纳米纤维膜的厚度为5-30μm，例如可以是5μm、6μm、8μm、10μm、11μm、12μm、13μm、14μm、15μm、18μm、20μm、22μm、25μm、29μm或30μm等，优选10-15μm。

优选地，所述含有底布的纳米纤维膜的制备方法为：将纳米纤维膜的制备原料溶于溶剂中得到高聚物溶液，然后通过静电纺丝将高聚物溶液电纺在底布上得到所述覆有纳米纤维膜的底布。

优选地，所述溶剂包括水、丙酮、丁酮、二甲基亚砜、N,N-二甲基甲酰胺或N,N-二甲基乙酰胺中的任意一种或至少两种的组合。

优选地，所述高聚物溶液的浓度为5wt％～30wt％，例如可以是5wt％、8wt％、10wt％、12wt％、15wt％、20wt％、25wt％、28wt％或30wt％等，优选10wt％～25wt％。

优选地，所述静电纺丝的温度为15～80℃，例如可以是15℃、20℃、30℃、40℃、50℃、60℃、70℃或80℃等，优选20～50℃。

优选地，所述静电纺丝的相对湿度为10％～80％，例如可以是10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％或80％等，优选30％～60％。

优选地，所述静电纺丝的电压为10～80kV，例如可以是10kV、15kV、20kV、30kV、40kV、50kV、60kV、70kV或80kV等，优选15～40kV。

优选地，所述静电纺丝的喷丝距离为5～100cm，例如可以是5cm、15cm、20cm、30cm、40cm、50cm、60cm、70cm、80cm、90cm或100cm等，优选20～50cm。

优选地，所述静电纺丝的纺丝液注射速度为0.5～10mL/h，例如可以是0.5mL/h、1mL/h、2mL/h、3mL/h、4mL/h、5mL/h、8mL/h或10mL/h等，优选1～5mL/h。

优选地，所述含氮化合物为含有氨基的化合物、含有亚氨基的化合物或者含有酰胺基的化合物。

优选地，所述含氮化合物为壳聚糖、聚乙烯亚胺、三聚氰胺、聚磷酸胺或丙烯酰胺中的任意一种或至少两种的组合。

在本发明中，采用含氮化合物与纳米纤维膜配合使用，能够促进纳米纤维膜对于烟气中有害物质的吸附，尤其是对卷烟醛类物质的吸附。此外，本发明中的含氮化合物的种类并不仅限于上述所列举的种类，任何可促进吸附和过滤效果的含氮化合物，均可添加。

第二方面，本发明提供了一种如第一方面所述的烟气过滤复合材料的制备方法，将覆有纳米纤维膜的底布浸渍于含有含氮化合物的溶液中，烘干得到所述烟气过滤复合材料。

本发明提供的方法简单，直接将纳米纤维膜与含氮化合物混合即可，所用溶剂一般为水或者本领域常用有机溶剂即可。

优选地，所述含有含氮化合物的溶液的浓度为0.1wt％～25wt％，例如可以是0.1wt％、0.2wt％、0.3wt％、0.4wt％、0.5wt％、0.6wt％、0.7wt％、0.8wt％、0.9wt％、1wt％、2wt％、3wt％、4wt％、5wt％、8wt％、10wt％、13wt％或15wt％等，优选5wt％～15wt％。

上述浓度指的浸渍液的浓度，是制备过程中的制备参数。

优选地，所述浸渍的温度为10～40℃，例如可以是10℃、15℃、20℃、25℃、30℃、35℃或40℃等。

优选地，所述浸渍的时间为1～60min，例如可以是1min、5min、10min、20min、30min、40min、50min或60min等，优选为5～30min。

优选地，所述烘干的温度为70～90℃，例如可以是70℃、75℃、80℃、85℃或90℃等，优选为80℃。

第三方面，本发明提供了一种如第一方面所述的烟气过滤复合材料在烟气过滤或烟气吸附中的应用。

本发明提供的烟气过滤复合材料应用范围较广，不仅具有过滤作用，同时还具有吸附作用。例如可以应用在香烟过滤棒中作为滤芯、口罩中作为滤芯防霾、抽油烟机中作为吸附的滤芯、烟囱出烟部位的过滤装置等等，任何可应用于过滤有害烟气的装置，均可应用本发明提供的烟气过滤复合材料等。

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复合材料。

本发明提供的香烟过滤棒，是通过如下方法制备的：将上述第一方面所述的烟气过滤复合材料，切割添加到香烟滤棒中，具体为：将纤维膜卷绕包裹在传统滤棒中二醋酸纤维素丝素的外层，底布层靠里，纤维层靠外，整条滤棒从上到下全范围包裹。

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复合材料，通过纳米纤维膜负载含氮化合物的复合材料，相比于现有的物理吸附材料或者化学吸附材料，能有效提升对烟气中有害物质的吸附和过滤效果，尤其对于卷烟烟气中的醛类物质的选择性效果更佳，能够有效降低卷烟烟气对人体的危害；而且通过纳米纤维膜具有的高比表面积、超高的表面积和孔隙率，可以更好的储藏吸附剂，柔性极佳，能够适于添加到各种过滤装置中，应用范围广。

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。

实施例1

本实施例通过以下方法制备烟气过滤复合材料

将二醋酸纤维素溶解在N,N-二甲基乙酰胺中，配制14wt％的高聚物溶液，控制纺丝电压35kV，环境温度35℃，相对湿度35％，纺丝液注射速度5mL/h，喷丝距离31cm，在瓦楞纸上电纺10μm厚的二醋酸纤维素膜，纤维平均直径200nm，将所得纤维膜浸渍在5wt％壳聚糖溶液中20min，80℃下烘干到恒重，制备获得烟气过滤复合材料。

实施例2

本实施例通过以下方法制备烟气过滤复合材料

将二醋酸纤维素溶解在二甲基亚砜中，配制10wt％的高聚物溶液，控制纺丝电压15kV，环境温度20℃，相对湿度30％，纺丝液注射速度1mL/h，喷丝距离20cm，在瓦楞纸上电纺10μm厚的二醋酸纤维素膜，纤维平均直径100nm，将所得纤维膜浸渍在5wt％聚乙烯亚胺溶液中5min，80℃下烘干到恒重，制备获得烟气过滤复合材料。

实施例3

本实施例通过以下方法制备烟气过滤复合材料

将聚丙烯腈溶解在N,N-二甲基甲酰胺中，配制25wt％的高聚物溶液，控制纺丝电压40kV，环境温度50℃，相对湿度60％，纺丝液注射速度5mL/h，喷丝距离50cm，在瓦楞纸上电纺15μm厚的聚丙烯腈膜，纤维平均直径350nm，将所得纤维膜浸渍在15wt％丙烯酰胺溶液中30min，80℃下烘干到恒重，制备获得烟气过滤复合材料。

实施例4

本实施例通过以下方法制备烟气过滤复合材料

将聚偏氟乙烯溶解在N,N-二甲基甲酰胺和二甲基亚砜组成的混合溶剂中，两种溶剂的体积比为1:1，配制5wt％的高聚物溶液，控制纺丝电压10kV，环境温度15℃，相对湿度10％，纺丝液注射速度0.5mL/h，喷丝距离5cm，在无纺布上电纺5μm厚的聚偏氟乙烯膜，纤维平均直径226nm，将所得纤维膜浸渍在25wt％聚磷酸胺溶液中60min，80℃下烘干到恒重，制备获得烟气过滤复合材料。

实施例5

本实施例通过以下方法制备烟气过滤复合材料

将聚苯乙烯溶解丙酮中，配制30wt％的高聚物溶液，控制纺丝电压80kV，环境温度80℃，相对湿度80％，纺丝液注射速度10mL/h，喷丝距离100cm，在无纺布上电纺30μm厚的聚苯乙烯膜，纤维平均直径325nm，将所得纤维膜浸渍在0.1wt％三聚氰胺溶液中1min，80℃下烘干到恒重，制备获得烟气过滤复合材料。

实施例6

本实施例与实施例1的区别仅在于，本实施例中二醋酸纤维素膜的纤维平均直径为383nm，制备获得烟气过滤复合材料。

对比例1

本对比例采用普通卷烟滤棒中的过滤材料，过滤材料为普通的二醋酸纤维素。以此对比例作为对照组。

将上述实施例1-7制备的烟气过滤复合材料按照本发明提供的制备香烟过滤棒的方法，制备成为香烟过滤棒，对比例1的普通过滤材料香烟过滤棒，进行烟气吸附过滤测试，测试方法为将卷烟烟气分别通过过滤棒，而后使用高效液相色谱测试滤过后的烟气中的醛类成分(单位μg/支)，得到的具体结果如下表1所示：

表1

滤棒	甲醛	乙醛	丙烯醛	丙醛	巴豆醛
						对比例1	66.7	536.1	70.4	56.3	45.2
实施例1	40.1	445.2	52.4	47.6	22.7
						实施例2	38.6	425.5	51.5	43.9	20.4
实施例3	44.3	428.7	53.8	44.3	28.6
						实施例4	42.5	467.4	50.2	45.8	25.6
实施例5	45.1	471.5	54.1	46.9	29.1
						实施例6	48.2	473.5	55.6	48.7	31.3

通过实施例1-5与对比例1的对比可知，本发明提供的烟气过滤复合材料，相比于现有的过滤棒，可有效降低烟气中甲醛最高可达42％左右，乙醛最高可降低20％左右，丙烯醛最高减少26％左右，丙醛最高可降低22％左右，巴豆醛最高可降低55％左右，可见烟气中的醛类物质大幅降低。

通过实施例1-5与实施例6的对比可知，当纤维平均直径不在100～350nm之间时，制备出的二醋酸纤维素膜品质作为烟气过滤复合材料时，对于醛类物质的吸附过滤效果有所降低。

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复合材料及其制备方法和应用，但本发明并不局限于上述详细方法，即不意味着本发明必须依赖上述详细方法才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各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)

1.一种烟气过滤复合材料，其特征在于，所述烟气过滤复合材料为以覆有纳米纤维膜的底布为载体，负载有含氮化合物的复合材料。

2.根据权利要求1所述的烟气过滤复合材料，其特征在于，所述底布为瓦楞纸或无纺布。

3.根据权利要求1或2所述的烟气过滤复合材料，其特征在于，所述纳米纤维膜的制备原料包括二醋酸纤维素、聚丙烯腈、聚苯乙烯、聚乙烯醇、聚氨酯或聚偏氟乙烯中的任意一种；

优选地，所述纳米纤维膜的制备原料为二醋酸纤维素；

优选地，所述纳米纤维膜的纤维直径为100～350nm；

优选地，所述纳米纤维膜的厚度为5-30μm，优选10-15μm。

4.根据权利要求1-3中所述的烟气过滤复合材料，其特征在于，所述含有底布的纳米纤维膜的制备方法为：将纳米纤维膜的制备原料溶于溶剂中得到高聚物溶液，然后通过静电纺丝将高聚物溶液电纺在底布上得到所述覆有纳米纤维膜的底布。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的烟气过滤复合材料，其特征在于，所述溶剂包括水、丙酮、丁酮、二甲基亚砜、N,N-二甲基甲酰胺或N,N-二甲基乙酰胺中的任意一种或至少两种的组合；

优选地，所述高聚物溶液的浓度为5wt％～30wt％，优选10wt％～25wt％；

优选地，所述静电纺丝的温度为15～80℃，优选20～50℃；

优选地，所述静电纺丝的相对湿度为10％～80％，优选30％～60％；

优选地，所述静电纺丝的电压为10～80kV，优选15～40kV；

优选地，所述静电纺丝的喷丝距离为5～100cm，优选20～50cm；

优选地，所述静电纺丝的纺丝液注射速度为0.5～10mL/h，优选1～5mL/h。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的烟气过滤复合材料，其特征在于，所述含氮化合物为含有氨基的化合物、含有亚氨基的化合物或者含有酰胺基的化合物；

优选地，所述含氮化合物为壳聚糖、聚乙烯亚胺、三聚氰胺、聚磷酸胺或丙烯酰胺中的任意一种或至少两种的组合。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的烟气过滤复合材料的制备方法，其特征在于，将覆有纳米纤维膜的底布浸渍于含有含氮化合物的溶液中，烘干得到所述烟气过滤复合材料。

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述含有含氮化合物的溶液的浓度为0.1wt％～25wt％，优选5wt％～15wt％；

优选地，所述浸渍的温度为10～40℃；

优选地，所述浸渍的时间为1～60min，优选为5～30min；

优选地，所述烘干的温度为70～90℃。

9.根据权利要求1-6中任一项所述的烟气过滤复合材料在烟气过滤或烟气吸附中的应用。

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1-6中任一项所述的烟气过滤复合材料。