CN110643158B - 一种卷烟过滤嘴用聚乳酸发泡材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种卷烟过滤嘴用聚乳酸发泡材料，按重量份数计，原料组成包括：聚乳酸树脂75‑85份、聚酯弹性体10‑15份、枸橼酸3‑4份、碳酸氢钠10‑12份、表面活性剂1‑3份、复合稳定剂4‑6份、脱模剂1‑5份、发泡剂0.6‑1.2份、发泡助剂0.5‑1.0份，其中聚乳酸树脂是自制聚乳酸树脂，数均分子量Mn为5.2×104，分子量分布为1.4。本发明通过两次发泡成型，制得的聚乳酸发泡材料发泡倍率高，孔隙率大，同时该发泡材料的熔体强度达到510‑550mN(190℃)，成型过程不易发生断带，高温热稳定性好，是一种优质的卷烟过滤嘴材料。

Description

一种卷烟过滤嘴用聚乳酸发泡材料及其制备方法
技术领域
本发明属于聚乳酸发泡材料制备领域，具体涉及一种卷烟过滤嘴用聚乳酸发泡材料及其制备方法。
背景技术
聚乳酸(PLA)具有可生物降解性和植物来源性两大特点，是一种新型的、对环境友好且性能优良的高分子材料，能够在减少环境污染、节省石油资源以及减轻地球温室效应方面展开很多颇具意义的应用。同时，聚乳酸发泡材料具有取代石油基发泡塑料用作包装和生活消费品的巨大潜力。
聚乳酸是生产香烟过滤嘴棒的一大重要材料，聚乳酸分子表面含有丰富的极性基团，所以对极性物质具有较强的亲合力，可以与焦油组分和低分子物质发生化学反应，反应物牢牢留在纤维表面，同时，聚乳酸发泡材料内部大量孔隙结构，在对烟气的吸附过程中，同时具有物理吸附和化学吸附双重效果。采用聚乳酸发泡材料所制滤棒吸附效果好，滤棒接装后，吸阻小，抽吸口感佳，在卷烟行业的应用越来越多。
CN109588775提供一种具有降温功能的加热不燃烧卷烟滤棒，采用超临界流体发泡，或者采用水蒸气发泡，随后通过挤出成型制得微孔降温滤棒，纵向微孔间相互连通形成气流通道，对烟气有效降温。制得发泡材料微孔密度为100～1000个/cm3，泡孔发泡倍率不高，滤棒吸阻大，影响吸烟舒适度。
CN106750486提供一种超临界流体制备微发泡聚乳酸基木塑复合材料的方法，所制得聚乳酸基木塑复合材料泡孔密度大，发泡倍率高，但是无机粒子的加入可能团聚导致拉伸强度强度低，成型过程容易发生断带。
CN109294187A公开一种全生物基聚乳酸发泡材料及其制备方法，其将干燥的左旋聚乳酸和右旋聚乳酸进行混合熔融发泡挤出，从而改善传统聚乳酸的结晶性能，发泡倍率为15-45，平均泡孔直径低于40μm，但是该种聚乳酸材料结晶度高，用在卷烟过滤嘴领域中，受热易局部僵硬收缩，热稳定性能差。
发明内容
为解决现有技术中存在的问题，对现有工艺进行进一步优化，本发明提供一种卷烟过滤嘴用聚乳酸发泡材料及其制备方法，以实现发泡倍率高、拉伸强度高、热稳定性好的发明目的。
为解决以上技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种卷烟过滤嘴用聚乳酸发泡材料，其特征在于，按重量份数计，原料组成包括：聚乳酸树脂75-85份、聚酯弹性体10-15份、枸橼酸3-4份、碳酸氢钠10-12份、表面活性剂1-3份、复合稳定剂4-6份、脱模剂1-5份、发泡剂0.6-1.2份、发泡助剂0.5-1.0份；
所述聚乳酸树脂，数均分子量Mn为5.2×104，分子量分布为1.4；
所述复合稳定剂由柠檬酸钠、磷酸三苯酯和氧化二辛基锡组成，柠檬酸钠、磷酸三苯酯、氧化二辛基锡的质量比为4.3-6.0：2.1-2.9：1；
所述发泡剂为偶氮二甲酰胺ADC与发泡剂OBSH的混合，两者质量比为1:1；所述发泡助剂为硬脂酸镁和碳酸钙的一种；
所述表面活性剂为卵磷脂；
所述聚酯弹性体中PET硬段含量55-70wt%，软段为双端羟基聚四亚甲基醚，含量30-45wt%；
所述脱模剂为硅油；
所述卷烟过滤嘴用聚乳酸发泡材料的制备方法，包括预混合、一次发泡成型、二次发泡成型、冷却；
所述预混合，按比例称量聚乳酸树脂、聚酯弹性体、枸橼酸、碳酸氢钠、表面活性剂、复合稳定剂、脱模剂加入到球磨机中进行混合、研磨，转速为400-500r/min，研磨时间1-2个小时；
所述一次发泡成型，在高压釜内进行化学发泡，压力为5-8MPa，保持釜温为90-100℃，搅拌速度为450-460 rpm/min，发泡反应10-14h；
所述二次发泡成型，将超临界二氧化碳气体输入挤出发泡机内与聚乳酸熔体进行混合，所述超临界二氧化碳加入量为聚乳酸熔体质量的0.5-10％；
所述挤出发泡机为双螺杆挤出机，长径比为40-35:1；第一段螺杆挤出机各段温度设置为220-240℃，第二段螺杆挤出机各段温度设置为160-180℃；第一段螺杆挤出机的转速为45-48r/min，第二段螺杆挤出机的转速为15-20r/min；第三段机头处熔体的温度为110-140℃，机头处压力为12-14MPa；
所述冷却，将中空的挤出发泡材料置于空气中静置1-2h，随温冷却，干燥，即可得到产品。
采用上述技术方案，本发明的有益效果为：
1、本发明制备的聚乳酸发泡材料，发泡倍率为13～16倍，泡孔均匀，泡孔直径在10～35微米，孔的密度在2.0～2.7×108个/cm3，发泡倍率高，孔隙率大。
2、本发明制备的聚乳酸发泡材料，拉伸强度为85-93Mpa、弯曲强度达到130-136Mpa，熔体强度达到510-550mN(190℃)，成型过程不易发生断带。
3、采用本发明制备的聚乳酸发泡材料制备的卷烟过滤嘴，平均吸阻为1300-1350Pa，吸烟舒适度佳；在120℃射频烘干机内10min热收缩仅0.13-0.18mm，热稳定性好，中空结构过滤嘴内径10-30mm，外径10-30mm（±0.06mm）。
4、本发明制备的聚乳酸发泡材料，发泡材料的密度达到0.08～0.13g/cm3，材料无穿孔、破泡现象，对比纯聚乳酸材料，发泡材料密度降低了90%左右。
具体实施方式：
下面结合具体的实施例，进一步阐述本发明。
实施例1一种卷烟过滤嘴用聚乳酸发泡材料
所述聚乳酸发泡材料，按重量份数计，原料组成包括：
聚乳酸树脂75份、聚酯弹性体10份、枸橼酸3份、碳酸氢钠10份、表面活性剂1份、复合稳定剂4份、脱模剂1份、发泡剂0.6份、发泡助剂0.5份；
其中：
聚酯弹性体中PET硬段含量50wt%，软段为双端羟基聚四亚甲基醚，含量50wt%；
表面活性剂为卵磷脂；
复合稳定剂为柠檬酸钠、磷酸三苯酯和氧化二辛基锡的混合物，三者混合质量比为4.3：2.9：1；
脱模剂为硅油；
发泡剂为偶氮二甲酰胺ADC与发泡剂OBSH的混合，两者质量比为1:1
发泡助剂为硬脂酸镁；
聚乳酸树脂为自制聚乳酸树脂，数均分子量Mn为5.2×104，分子量分布为1.4；
所述聚乳酸发泡材料的制备方法，包括如下步骤：
1、预混合
按比例称量聚乳酸树脂、聚酯弹性体、枸橼酸、碳酸氢钠、表面活性剂、复合稳定剂、脱模剂加入到球磨机中进行混合、研磨，转速为400r/min，研磨时间1.5个小时，得到聚乳酸预混物。
2、一次发泡成型
采用化学发泡的方法，将聚乳酸预混物、发泡剂、发泡助剂置于高压釜内，使釜内压力达到5MPa，保持釜温为100℃，搅拌速度为450rpm/min，发泡反应10h，随温冷却制得聚乳酸预发泡制品。
3、二次发泡成型
将聚乳酸一次发泡制品放入挤出发泡机中使其熔融，再将超临界二氧化碳气体由挤出发泡机上的注气口计量泵输入螺杆内与聚乳酸熔体混合均匀，第一段螺杆挤出机各段温度设置为220℃，第二段螺杆挤出机各段温度设置为180℃；第一段螺杆挤出机的转速为45r/min，第二段螺杆挤出机的转速为15r/min；第三段机头处熔体的温度为110℃，机头处压力为12MPa，最后通过中空结构的口模挤出发泡。
其中发泡剂气体超临界二氧化碳加入量为聚乳酸熔体质量的0.5％；
所述挤出发泡机为双螺杆挤出机，长径比为35:1；
4、冷却
将中空的挤出发泡材料，置于空气中静置1h，随温冷却，干燥，即可得到产品。
实施例2一种卷烟过滤嘴用聚乳酸发泡材料
所述聚乳酸发泡材料，按重量份数计，原料组成包括：
聚乳酸树脂79份、聚酯弹性体10份、枸橼酸3份、碳酸氢钠10份、表面活性剂2份、复合稳定剂5份、脱模剂3份、发泡剂1份、发泡助剂1份；
其中：
聚酯弹性体中PET硬段含量55wt%，软段为双端羟基聚四亚甲基醚，含量45wt%；
表面活性剂为卵磷脂；
复合稳定剂为柠檬酸钠、磷酸三苯酯和氧化二辛基锡的混合物，三者混合质量比为4.8：2.5：1；
脱模剂为硅油；
发泡剂为偶氮二甲酰胺ADC与发泡剂OBSH的混合，两者质量比为1:1
发泡助剂为硬脂酸镁；
聚乳酸树脂为自制聚乳酸树脂，数均分子量Mn为5.2×104，分子量分布1.4；
所述聚乳酸发泡材料的制备方法，包括如下步骤：
1、预混合
按比例称量聚乳酸树脂、聚酯弹性体、枸橼酸、碳酸氢钠、表面活性剂、复合稳定剂、脱模剂加入到球磨机中进行混合、研磨，转速为500r/min，研磨时间2个小时，得到聚乳酸预混物。
2、一次发泡成型
采用化学发泡的方法，将聚乳酸预混物、发泡剂、发泡助剂置于高压釜内，使釜内压力达到5MPa，保持釜温为100℃，搅拌速度为450 rpm/min，发泡反应10h，随温冷却制得聚乳酸预发泡制品。
3、二次发泡成型
将聚乳酸一次发泡制品放入挤出发泡机中使其熔融，再将超临界二氧化碳气体由挤出发泡机上的注气口计量泵输入螺杆内与聚乳酸熔体混合均匀，第一段螺杆挤出机各段温度设置为220℃，第二段螺杆挤出机各段温度设置为160℃；第一段螺杆挤出机的转速为45r/min，第二段螺杆挤出机的转速为15r/min；第三段机头处熔体的温度为110℃，机头处压力为12MPa，最后通过中空结构的口模挤出发泡。
其中发泡剂气体超临界二氧化碳加入量为聚乳酸熔体质量的4％；
所述挤出发泡机为双螺杆挤出机，长径比为35:1；
4、冷却
将中空的挤出发泡材料，置于空气中静置2h，随温冷却，干燥，即可得到产品。
实施例3一种卷烟过滤嘴用聚乳酸发泡材料
所述聚乳酸发泡材料，按重量份数计，原料组成包括：
聚乳酸树脂85份、聚酯弹性体15份、枸橼酸3份、碳酸氢钠12份、表面活性剂3份、复合稳定剂4份、脱模剂3份、发泡剂1份、发泡助剂1份；
其中：
聚酯弹性体中PET硬段含量65wt%，软段为双端羟基聚四亚甲基醚，含量35wt%；
表面活性剂为卵磷脂；
复合稳定剂为柠檬酸钠、磷酸三苯酯和氧化二辛基锡的混合物，三者混合质量比为5.4：2.5：1；
脱模剂为硅油；
发泡剂为偶氮二甲酰胺ADC与发泡剂OBSH的混合，两者质量比为1:1
发泡助剂为碳酸钙；
聚乳酸树脂为自制聚乳酸树脂，数均分子量Mn为5.2×104，分子量分布1.4；
所述聚乳酸发泡材料的制备方法，包括如下步骤：
1、预混合
按比例称量聚乳酸树脂、聚酯弹性体、枸橼酸、碳酸氢钠、表面活性剂、复合稳定剂、脱模剂加入到球磨机中进行混合、研磨，转速为500r/min，研磨时间2个小时，得到聚乳酸预混物。
2、一次发泡成型
采用化学发泡的方法，将聚乳酸预混物、发泡剂、发泡助剂置于高压釜内，使釜内压力达到8MPa，保持釜温为90℃，搅拌速度为460rpm/min，发泡反应12h，随温冷却制得聚乳酸预发泡制品。
3、二次发泡成型
将聚乳酸一次发泡制品放入挤出发泡机中使其熔融，再将超临界二氧化碳气体由挤出发泡机上的注气口计量泵输入螺杆内与聚乳酸熔体混合均匀，第一段螺杆挤出机各段温度设置为240℃，第二段螺杆挤出机各段温度设置为180℃；第一段螺杆挤出机的转速为48r/min，第二段螺杆挤出机的转速为20r/min；第三段机头处熔体的温度为130℃，机头处压力为12MPa，最后通过中空结构的口模挤出发泡。
其中发泡剂气体超临界二氧化碳加入量为聚乳酸熔体质量的10％；
所述挤出发泡机为双螺杆挤出机，长径比为36:1；
4、冷却
将中空的挤出发泡材料，置于空气中静置2h，随温冷却，干燥，即可得到产品。
实施例4一种卷烟过滤嘴用聚乳酸发泡材料
所述聚乳酸发泡材料，按重量份数计，原料组成包括：
聚乳酸树脂85份、聚酯弹性体15份、枸橼酸4份、碳酸氢钠12份、表面活性剂3份、复合稳定剂6份、脱模剂5份、发泡剂1.2份、发泡助剂0.5份；
其中：
聚酯弹性体中PET硬段含量70wt%，软段为双端羟基聚四亚甲基醚，含量30wt%；
表面活性剂为卵磷脂；
复合稳定剂为柠檬酸钠、磷酸三苯酯和氧化二辛基锡的混合物，三者混合质量比为6.0：2.1：1；
脱模剂为硅油；
发泡剂为偶氮二甲酰胺ADC与发泡剂OBSH的混合，两者质量比为1:1
发泡助剂为碳酸钙；
聚乳酸树脂为自制聚乳酸树脂，数均分子量Mn为5.2×104，分子量分布1.4；
所述聚乳酸发泡材料的制备方法，包括如下步骤：
1、预混合
按比例称量聚乳酸树脂、聚酯弹性体、枸橼酸、碳酸氢钠、表面活性剂、复合稳定剂、脱模剂加入到球磨机中进行混合、研磨，转速为500r/min，研磨时间1个小时，得到聚乳酸预混物。
2、一次发泡成型
采用化学发泡的方法，将聚乳酸预混物、发泡剂、发泡助剂置于高压釜内，使釜内压力达到8MPa，保持釜温为100℃，搅拌速度为460 rpm/min，发泡反应14h，随温冷却制得聚乳酸预发泡制品。
3、二次发泡成型
将聚乳酸一次发泡制品放入挤出发泡机中使其熔融，再将超临界二氧化碳气体由挤出发泡机上的注气口计量泵输入螺杆内与聚乳酸熔体混合均匀，第一段螺杆挤出机各段温度设置为240℃，第二段螺杆挤出机各段温度设置为180℃；第一段螺杆挤出机的转速为48r/min，第二段螺杆挤出机的转速为20r/min；第三段机头处熔体的温度为140℃，机头处压力为14MPa，最后通过中空结构的口模挤出发泡。
其中发泡剂气体超临界二氧化碳加入量为聚乳酸熔体质量的8％；
所述挤出发泡机为双螺杆挤出机，长径比为36:1；
4、冷却
将中空的挤出发泡材料，置于空气中静置2h，随温冷却，干燥，即可得到产品。
本发明原材料组分中聚乳酸树脂的合成方法为：
（1）熔融
将丙交酯和辛酸亚锡投入反应器中混合，在搅拌下缓慢升温至熔融，控制温度100℃，保温15min；
所述丙交酯为D，L-丙交酯；
所述丙交酯与催化剂的用量为摩尔比1000:5；
（2）螺杆挤压
将熔融的混合物送入双螺杆挤出机中熔融挤压，双螺杆挤出机各区温度均为120℃，螺杆转速为190rpm；
（3）步进式反应
将挤压后的混合物送入步进式反应器，抽真空脱除空气后充入高纯氮气(纯度≥99.999%)，重复三次，最终使体系在氮气氛围中，一次升温以10℃/min速率升温到150℃反应8h，二次升温以5℃/min速率到200℃反应4h即可终止反应；
（4）挤压脱挥
反应终止后，再次送入双螺杆挤出机中，通氮气进行熔融挤压脱挥，脱除低分子聚合物及多余的催化剂，挤出造粒，干燥得到聚乳酸树脂。
本发明实施例1-4制备的卷烟过滤嘴用聚乳酸发泡材料的性能指标如下：
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本发明制得的聚乳酸发泡材料，发泡倍率高，泡孔均匀，发泡材料的密度小，同时材料的力学性能优异，用该材料制备的聚乳酸发泡材料制备的卷烟过滤嘴，热稳定性很好，吸烟舒适度高。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种卷烟过滤嘴用聚乳酸发泡材料，其特征在于，按重量份数计，原料组成包括：聚乳酸树脂75-85份、聚酯弹性体10-15份、枸橼酸3-4份、碳酸氢钠10-12份、表面活性剂1-3份、复合稳定剂4-6份、脱模剂1-5份、发泡剂0.6-1.2份、发泡助剂0.5-1.0份；
所述聚乳酸树脂，数均分子量Mn为5.2×104 ，分子量分布为1.4；
所述聚酯弹性体中PET硬段含量55-70wt%，软段为双端羟基聚四亚甲基醚，含量30-45wt%；
所述表面活性剂为卵磷脂；
所述复合稳定剂由柠檬酸钠、磷酸三苯酯和氧化二辛基锡组成，柠檬酸钠、磷酸三苯酯、氧化二辛基锡的质量比为4.3-6.0：2.1-2.9：1；
所述脱模剂为硅油；
所述发泡剂为偶氮二甲酰胺ADC与发泡剂OBSH的混合，两者质量比为1:1；所述发泡助剂为硬脂酸镁和碳酸钙的一种；
所述卷烟过滤嘴用聚乳酸发泡材料的制备方法，包括预混合、一次发泡成型、二次发泡成型；
所述预混合，球磨机转速400-500r/min，研磨时间1-2个小时；
所述一次发泡成型，在高压釜内进行化学发泡，压力为5-8MPa，保持釜温为90-100℃，搅拌速度为450-460 rpm/min，发泡反应10-14h；
所述二次发泡成型，将超临界二氧化碳气体输入挤出发泡机内与聚乳酸熔体进行混合，所述超临界二氧化碳加入量为聚乳酸熔体质量的0.5-10％；
所述挤出发泡机为双螺杆挤出机，长径比为40-35:1；第一段螺杆挤出机各段温度设置为220-240℃，第二段螺杆挤出机各段温度设置为160-180℃；第一段螺杆挤出机的转速为45-48r/min，第二段螺杆挤出机的转速为15-20r/min；第三段机头处熔体的温度为110-140℃，机头处压力为12-14MPa。
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