CN109695181B - 一种具有减害功能的卷烟纸及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及卷烟纸技术领域，涉及一种具有减害功能的卷烟纸及其制备方法，该卷烟纸包括如下组分：(1)胶料，(2)纸张纤维，胶料包括：改性的层状双金属氢氧化物和胶黏剂。以胶料的浆料的总重量为100％计，改性的层状双金属氢氧化物的含量为0.5～5wt％，胶黏剂的含量为1‑5wt％。制备方法包括：(1)在层状双金属氢氧化物的合成中，加入表面活性剂，制得改性的层状双金属氢氧化物；(2)将改性的层状双金属氢氧化物与胶黏剂接触并混合均匀，形成胶料；(3)将胶料涂覆在纸张纤维的表面，制得具有减害功能的卷烟纸。本发明的卷烟纸用于卷烟，可降低焦油14‑20％，降焦减害效果显著，工艺容易实现。

Description

一种具有减害功能的卷烟纸及其制备方法
技术领域
本发明属于卷烟材料，涉及卷烟纸技术领域，尤其涉及一种具有减害功能的卷烟纸及其制备方法。
背景技术
卷烟纸是卷烟生产中的重要材料之一，尽管只约占烟支总质量的5％，但对卷烟整体性能的影响却远远大于其他非烟草组分。卷烟纸的重要特点是它参与到涉及化学、流体力学、传热学、热力学等多个复杂的过程燃烧中，因此卷烟纸不仅能影响卷烟的外观形态而且对卷烟的感官质量、烟气组分等性能都产生直接作用。卷烟纸主要由纤维原料、填料和助剂三部分组成,其中助剂特别是燃烧添加剂可以改变卷烟纸的燃烧状态，影响烟支的燃烧性能,改善烟支的燃烧质量,进而影响卷烟烟气组分和烟气量，所以卷烟纸助剂的添加能赋予卷烟纸一些新功能的实现,利用卷烟纸来降低卷烟烟气中有害物的研究已经越来越成为各国学者研究的重点，制备功能性卷烟纸是实现降低卷烟主流烟气有害成分的有效技术手段之一。
在传统的卷烟纸研究中发现，通过加入助燃剂改善烟纸的燃烧性能，能够降低CO及焦油在烟气中的含量。行业广泛使用的助燃剂还主要是柠檬酸钠和柠檬酸钾，使用柠檬酸盐虽然可以增加静燃速率,降低抽吸口数,但过量使用柠檬酸盐也会对卷烟感官品质产生负面影响。近年来也有一些对具有阻燃、消烟、填充等多种性能阻燃剂Mg(OH)2的研究，但应用较晚。层状镁铝氢氧化物材料是一类具有层状微孔结构的双羟基金属复合氧化物，它兼具了氢氧化铝和氢氧化镁功能材料的优点，又克服了它们各自的不足，具有阻燃、消烟、填充等功能，是一种高效、无卤、无毒、低烟的新型功能材料。而且由于其特殊的层状结构赋予其较大的表面积和较多的表面吸附活性中心，能吸附有害气体特别是酸性气体，因而具有降低燃烧温度和抑烟的双重功能。卷烟纸的CaCO3填料的理想种类是单晶型、纺锤体状的沉淀碳酸钙，但在实际应用中由于助剂的结构和形貌限制导致能和碳酸钙填料匹配使用的无机添加材料很少，层状双金属氢氧化物材料的片状结构能起到巩固填料与纤维连接的作用，是较为理想的一种材料。因此优选层状金属氢氧化物材料作为卷烟纸添加材料既具有减害降焦效果,又不会对卷烟吸味产生明显负面影响,也符合食品安全性要求。
发明内容
针对现有技术存在的缺陷，本发明的目的是提供一种具有减害功能的卷烟纸及其制备方法，无须改变现有卷烟纸生产工艺，能够制备出成本低廉、具有较好减害功能的卷烟纸。
为了实现上述目的，本发明提供一种具有减害功能的卷烟纸，该卷烟纸包括如下组分：
(1)胶料，
(2)纸张纤维，
其中，所述胶料包括：改性的层状双金属氢氧化物和胶黏剂。
根据本发明提供的卷烟纸，优选地，所述胶料的浆料由改性层状双金属氢氧化物材料、胶黏剂和水组成。
优选地，以所述胶料的浆料的总重量为100％计，所述改性的层状双金属氢氧化物的含量为0.5wt％～5wt％，所述胶黏剂的含量为1-5wt％。
更优选地，所述改性的层状双金属氢氧化物的百分含量为1～4wt％；进一步优选为1.5～3.5wt％。
根据本发明提供的卷烟纸，优选地，所述改性的层状双金属氢氧化物选自改性的层状镁铝氢氧化物和/或改性的层状锌铝氢氧化物；更优选选自改性的层状镁铝氢氧化物。
在本发明的优选实施方式中，所述改性的层状双金属氢氧化物的比表面积为90～130m2/g。层状双金属氢氧化物的比表面积大，会有利于提高对烟气中有害物的吸附。通过常规方法合成得到的层状双金属氢氧化物，如若未经改性，则其比表面积较低(低于90m2/g)，不利于降低烟气中的有害物。
根据本发明提供的卷烟纸，优选地，所述胶黏剂选自海藻酸钠和/或改性淀粉。
本发明还提供一种如上所述具有减害功能的卷烟纸的制备方法，该制备方法包括：
(1)在层状双金属氢氧化物的合成过程中，加入表面活性剂，制得所述改性的层状双金属氢氧化物；
(2)将所述改性的层状双金属氢氧化物与胶黏剂接触并混合均匀，形成胶料；
(3)将所述胶料涂覆在纸张纤维的表面，经加热、干燥，制得所述具有减害功能的卷烟纸。
根据本发明提供的制备方法，优选地，步骤(1)中，以改性的层状双金属氢氧化物中各组分的总重量为100％计，所述表面活性剂的用量为0.01wt％～0.1wt％。
优选地，所述表面活性剂选自非离子型表面活性剂。
优选地，所述非离子型表面活性剂选自PEG和/或聚乙烯吡咯烷酮。更优选地，所述PEG选自PEG-1000和/或PEG-1500。
在本发明的一种优选实施方式中，所述非离子型表面活性剂选自PEG-1000。
在本发明所述的制备方法中，步骤(1)的层状双金属氢氧化物的合成过程可通过本领域技术人员所熟知的制备方法实现。传统方法合成的层状双金属氢氧化物材料比表面积一般都不大，约为20-80m2/g,这在很大程度上限制了它的应用，通过减小层状材料的厚度可以提高它的外表面积。本发明在合成过程中添加了表面活性剂使其吸附在材料的层板表面形成一定厚度的吸附层抑制材料在c轴方向的生长，从而使制备的样品粒子厚度变小。
根据本发明提供的制备方法，由于试验材料(改性的层状双金属氢氧化物)与纸张纤维的结合力较弱，需要通过胶黏剂引入卷烟纸表面。优选地，步骤(2)中，所述胶黏剂选自海藻酸钠和/或改性淀粉。将所述改性的层状双金属氢氧化物、胶黏剂以及水混合形成所述胶料的浆料。由于试验材料富含羟基基团，能与纤维表面形成结合力较强的氢键，另外材料本身还具有一定包合作用，能在介孔材料(改性的层状双金属氢氧化物)和纸张表面间起到很好桥梁作用；同时材料符合烟用材料许可名录要求，燃烧后对卷烟抽吸品质也无明显不良影响。将最终得到的卷烟纸成品用于卷烟生产，即具有较好的减害降焦效果。
根据本发明提供的制备方法，优选地，步骤(3)中，将所述胶料涂覆在纸张纤维的表面的方式为涂布法。把粉体材料均匀分散在某种胶黏剂中，制成乳状涂料，然后用涂布的方法把此涂料涂在纸张纤维的表面上，经加热干燥即可得涂布型卷烟纸。这种方法的优点是功能材料大部分集中在卷烟纸的表面，对卷烟纸的物理性能影响较小，对表面要求的耐延燃性效果明显。
本发明技术方案带来的技术效果在于，通过本发明，所得改性的层状金属氢氧化物材料的比表面积高、制备方法简单；将添加改性的层状双金属氢氧化物材料的卷烟纸用于卷烟，可以降低焦油14％-20％，降焦减害效果显著，施加工艺容易实现，同时成本较低，具有很好的工业应用价值。
附图说明
图1示出了0#卷烟纸样品的SEM图。
图2示出了1#卷烟纸样品的SEM图。
图3示出了2#卷烟纸样品的SEM图。
图4示出了3#卷烟纸样品的SEM图。
上述SEM图中，放大倍数为3000。
具体实施方式
通过下面的实例可以更清楚地了解本发明，但它们并不是对本发明的限定。
1、实验结果中，各个性能的测试方法：
例如，比表面分析测试、卷烟纸的物理指标检测、卷烟纸中主流烟气中常规成分、NNK及其它有害成分的释放量的测试等。
样品的孔分布分析，采用美国Micromeritics ASAP 3020型全自动物理化学吸附仪测定，分析条件是在液氮温度(77K)下用氮气吸附法测定样品的比表面积和孔分布情况。在氮气气氛下，样品对气体会产生吸附，吸附平衡以后可以测量其吸附的压力和吸附的气体量；
样品的比表面积的大小，是根据BET(Brunauer-Emmett-Teller)理论在实验中采用多点法对样品吸附等温线中的吸附曲线进行计算而来的，通过BET理论计算出的比表面积又称为BET比表面积。卷烟纸试样经干燥平衡水分后按照GB/T 12655-1998《卷烟纸》中的方法进行测试；
按照GB/T 19609-2004和GB/T 23356-2009方法测定卷烟主流烟气中总粒相物、焦油、烟碱、水分和CO；
采用GB/T 23203.1-2008，GB/T 21130-2007，YC/T 253-2008，YC/T377-2010，YC/T255-2008,YC/T 254-2008，GB/T 23228-2008的方法分别测定卷烟主流烟气中的B[a]P、HCN、NH3、苯酚、巴豆醛、NNK释放量。
2、所用原料的来源：
本发明中所有试剂均购自国药集团化学试剂公司。
改性的层状双金属氢氧化物的制备例1：
称取30.45g氯化镁和16.659g硫酸铝加入到250mL去离子水中，搅拌使氯化镁和硫酸铝混合并完全溶解，称取12.8g氢氧化钠加入到250mL的去离子水中以及10.6g碳酸钠加入到250mL的去离子水中；称取2.0g PEG-1000溶解于250mL去离子水中；采用双滴法将PEG-1000溶液、氢氧化钠溶液和碳酸钠溶液这三种溶液同时滴加到含有氯化镁和硫酸铝的混合溶液中进行混合形成混合体系，并将混合体系转移至2000mL三颈烧瓶中，升温至95℃保温反应6小时，冷却至室温后过滤、洗涤至中性，在80℃鼓风烘箱中常压干燥24小时制得白色固体即为改性的层状镁铝氢氧化物。
比表面分析测试结果表明，制得改性的层状镁铝氢氧化物的BET比表面积可以达到117m2/g。
未改性的层状金属氢氧化物的制备例2：
称取30.45g氯化镁和16.659g硫酸铝加入到250mL去离子水中，搅拌使氯化镁和硫酸铝混合并完全溶解，称取12.8g氢氧化钠加入到250mL的去离子水中以及10.6g碳酸钠加入到250mL的去离子水中；采用双滴法将氢氧化钠溶液和碳酸钠溶液同时滴加到含有氯化镁和硫酸铝的混合溶液中混合，并将混合体系转移至2000mL三颈烧瓶中，升温至95℃保温反应6小时，冷却至室温后过滤、洗涤至中性，在80℃鼓风烘箱中常压干燥24小时制得白色固体即为未改性的层状镁铝氢氧化物。
比表面分析测试结果表明，制得未改性的层状镁铝氢氧化物的BET比表面积可以达到59.7m2/g。
通过制备例1和2的比较可知，未改性的层状镁铝氢氧化物的比表面积远低于经表面活性剂改性的层状镁铝氢氧化物的比表面积。
据项目设计方案，配制不同含量改性的层状镁铝氢氧化物的胶料以及纯胶黏剂的胶料用涂布样品的试制。所述胶料中，胶黏剂的含量为3.5wt％，所述胶黏剂中海藻酸钠、改性淀粉以及水的质量比设计为1:3:100。
实施例：
胶料1：将4kg改性的层状镁铝氢氧化物、0.6kg海藻酸钠和1.8kg改性淀粉分别加入60kg水中，充分搅拌20分钟后，备用；
胶料2：将5kg改性的层状镁铝氢氧化物、0.6kg海藻酸钠和1.8kg改性淀粉分别加入60kg水中，充分搅拌20分钟后，备用；
胶料3：将6kg改性的层状镁铝氢氧化物、0.6kg海藻酸钠和1.8kg改性淀粉分别加入60kg水中，充分搅拌20分钟后，备用。
涂布机凹版深度为35μm，试制车速为40m/min，烘箱温度控制在110℃，保证溶剂完全烘干。将三种配方的胶黏剂分别进行涂布，整个涂布过程，涂布机运行稳定，卷烟纸表面肉眼可见明显的涂层，用手难摩擦出粉尘，表面达到有效粘接效果。涂布后下机卷烟纸样品的具体标识编号为：胶料1涂布后下机卷烟纸样品为1#、胶料2涂布后下机卷烟纸样品为2#、胶料3涂布后下机卷烟纸样品为3#。胶料1涂布后卷烟纸样品盘纸实际在卷烟纸上引入改性的层状双金属氢氧化物比重为1.93％；胶料2涂布后卷烟纸样品盘纸实际在卷烟纸上引入改性的层状双金属氢氧化物比重为2.51％；胶料3涂布后卷烟纸样品盘纸实际在卷烟纸上引入改性的层状双金属氢氧化物比重为3.32％。对下机卷烟纸样品进行相关物理指标检测，具体物理指标检测结果如表1所示。
对比例1：
选取的卷烟纸为成品卷烟纸，即所述的纸张纤维，未添加本发明所述的胶料；
该成品卷烟纸的编号为0#。对其进行相关物理指标检测，具体物理指标检测结果如表1所示。
表1各种功能性卷烟纸的物理指标
Figure BDA0001440012460000071
Figure BDA0001440012460000081
通过表1的试验结果可知，选用海藻酸钠和改性淀粉载体作为介孔材料的胶黏剂，既能满足有效架桥作用，又能减少对卷烟吸食品质的影响。
图1-4示出了几种不同涂布量试验得到的涂布卷烟纸的SEM图。从2-4图中可以看出，在纸张的纤维上除了分布有微米级的梭形碳酸钙填料外，还有尺寸更小、形貌也完全不同的颗粒附着，进一步说明了这种涂布方法能够实现改性的层状双金属氢氧化物在卷烟纸中的添加；通过离线涂布加工方式可将功能介孔材料(改性的层状双金属氢氧化物)适量引入到卷烟纸表面。而图1中，未添加改性层状金属氢氧化物的卷烟原纸(纸张纤维)中只能看到梭形的碳酸钙填料。
将制得的各种功能性卷烟纸进行卷烟评价，与在线样品选用相同的烟丝，采用相同辅材用同一台卷烟机进行卷制以保证对照卷烟和试验卷烟的烟丝质量一致，达到试样样品的可比性。卷烟纸中主流烟气中常规成分、NNK及其它有害成分的释放量分析结果见表2、表3。
表2各卷烟纸卷烟主流烟气常规成分释放量结果
Figure BDA0001440012460000091
表3各卷烟纸卷烟主流烟气常规7种有害物释放量结果
Figure BDA0001440012460000092
Figure BDA0001440012460000101
从以上结果可以看出，与未添加层状双金属氢氧化物的成品卷烟纸相比，通过胶黏剂将改性的层状双金属氢氧化物引入卷烟纸表面后，卷烟主流烟气中代表性有害物的释放量降低效果明显。
当改性的层状双金属氢氧化物材料在2#样品卷烟纸中的添加比例为2.51％时，各有害成分的降低效果最明显，CO、HCN、NNK、NH3、B[a]P、苯酚、巴豆醛降低率分别为18.31％、28.03％、15.97％、23.19％、25.6％、20.73％、19.47％，选择性降低率分别为11.51％、21.23％、9.17％、16.39％、16.12％、13.93％、12.67％。
通过在卷烟纸中添加了改性的层状双金属氢氧化物除了能显著降低卷烟烟气中有害物的释放量，还能使卷烟的焦油有所降低，表现出既能选择性减害又能降焦的特点，因此通过将这类层状双金属氢氧化物材料添加到卷烟纸中是实现降焦减害的一种比较好的途径。
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。

Claims (11)

1.一种具有减害功能的卷烟纸，其特征在于，该卷烟纸包括如下组分：
(1)胶料，
(2)纸张纤维，
其中，所述胶料包括：改性的层状双金属氢氧化物和胶黏剂；
所述改性的层状双金属氢氧化物选自改性的层状镁铝氢氧化物，所述改性的层状双金属氢氧化物的比表面积为90～130m2/g；
所述胶黏剂选自海藻酸钠和改性淀粉。
2.根据权利要求1所述的具有减害功能的卷烟纸，其特征在于，所述胶料的浆料由改性层状双金属氢氧化物材料、胶黏剂和水组成。
3.根据权利要求2所述的具有减害功能的卷烟纸，其特征在于，以所述胶料的浆料的总重量为100％计，所述改性的层状双金属氢氧化物的含量为0.5wt％～5wt％，所述胶黏剂的含量为1-5wt％。
4.根据权利要求2所述的具有减害功能的卷烟纸，其特征在于，所述改性的层状双金属氢氧化物的含量为1～4wt％。
5.根据权利要求4所述的具有减害功能的卷烟纸，其特征在于，所述改性的层状双金属氢氧化物的含量为1.5～3.5wt％。
6.一种如权利要求1-5中任一项所述具有减害功能的卷烟纸的制备方法，其特征在于，该制备方法包括：
(1)在层状双金属氢氧化物的合成过程中，加入表面活性剂，制得所述改性的层状双金属氢氧化物；
(2)将所述改性的层状双金属氢氧化物与胶黏剂接触并混合均匀，形成胶料；
(3)将所述胶料涂覆在纸张纤维的表面，经加热、干燥，制得所述具有减害功能的卷烟纸。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，以改性的层状双金属氢氧化物中各组分的总重量为100％计，所述表面活性剂的用量为0.01wt％～0.1wt％。
8.根据权利要求6或7所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述表面活性剂选自非离子型表面活性剂。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述非离子型表面活性剂选自PEG和/或聚乙烯吡咯烷酮。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述PEG选自PEG-1000和/或PEG-1500。
11.根据权利要求6或7所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，将所述胶料涂覆在纸张纤维表面的方式为涂布法。
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