CN110959910A - 一种聚乳酸纤维烟用丝束及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种聚乳酸纤维烟用丝束及其制备方法，所述烟用丝束由具有包芯结构的单根纤维组成，所述包芯结构为具有依次为外层‑内层‑芯层的三层结构，其中，所述外层和芯层为聚乳酸，所述内层为聚丙烯，所述外层和内层上分布有孔洞，所述单根纤维中外层、内层与芯层的质量比例为(20‑45)：(20‑30)：10，经复合纺丝组件喷丝挤出，所述烟用丝束线密度为3‑5ktex，单丝线密度为2‑6detx，卷曲数为15‑30个/25mm，在保持较低的吸阻和棒重的同时具有良好的刚度和过滤性能，而且具有良好的生物降解性能。

Description

一种聚乳酸纤维烟用丝束及其制备方法

技术领域

本发明涉及烟用材料技术领域，具体涉及一种聚乳酸纤维烟用丝束及其制备方法。

背景技术

香烟过滤嘴是香烟的一个重要组成部分，用以减少吸烟时入口的烟雾、焦油和燃烧时产生的悬浮粒子，可以减少烟气中有害物质对人体的伤害，还能改善烟气品质，随着社会对吸烟与健康问题的日益关注以及对卷烟降焦减害要求的不断提高，长期以来，滤嘴都是烟草行业的研究热点。

当前的香烟过滤嘴材料主要为二醋酸纤维素和聚丙烯。二醋酸纤维素的过滤和吸附性能优异，其市场占有率在90％左右，但它的生产原料是多年生的优质木材不易再生，且生物降解速度较慢，对环境造成的污染不易消除；聚丙烯是目前卷烟上应用的另外一种卷烟滤嘴材料，占我国滤材市场不到10％的市场份额，是以石油为原料，消耗的是不可再生资源，其组成为长链碳氢化合物，不能生物降解，且无极性基团，对强极性物质亲和力较差，纤维表面光滑，对烟气过滤效果差，对卷烟感官质量影响较大。因此，目前市场上使用的两种卷烟滤嘴材料都存在一定缺陷，迫切需要一种综合性能接近醋纤，价格又相对低廉的新型烟用丝束，替代醋纤用于中低档卷烟的生产。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种聚乳酸纤维烟用丝束及其制备方法。

本发明的目的采用以下技术方案来实现：

一种聚乳酸纤维烟用丝束，所述烟用丝束由具有包芯结构的单根纤维组成，所述包芯结构为具有依次为外层-内层-芯层的三层结构，其中，所述外层和芯层为聚乳酸，所述内层为聚丙烯，所述外层和内层上分布有孔洞，所述单根纤维中外层、内层与芯层的质量比例为(20-45):(20-30):10，所述烟用丝束线密度为3-5ktex，单丝线密度为2-6detx，卷曲数为15-30个/25mm；

优选的，所述聚乳酸中右旋聚乳酸含量在5-15％，平均分子量为10-20万，熔点在168-175℃，熔融指数4-10g/10min；

优选的，所述外层为添加有造孔剂和电气石超微粉的聚乳酸树脂；所述内层为添加有造孔剂、金属氧化物超微粉、相容剂和结晶成核剂的聚丙烯树脂，所述金属氧化物为MgO、CaO、ZnO、TiO₂、Fe₂O₃中的一种或以上；

优选的，所述外层中造孔剂的添加量为8-15wt％，电气石超微粉的添加量为6-12wt％；所述内层中造孔剂、金属氧化物超微粉、相容剂和结晶成核剂的添加量分别为6-15wt％、4-10wt％、1-5wt％、2-7wt％；所述造孔剂、金属氧化物超微粉和结晶成核剂的粒径为0.1-5μm；

优选的，所述造孔剂为NaCl、KCl、Na₂SO₄、K₂SO₄的一种或以上；

优选的，所述相容剂为聚乙二醇；

优选的，所述结晶成核剂为纳米碳酸钙、滑石粉、蒙脱土、硅藻土、白碳黑的一种或以上；

优选的，所述单根纤维的截面为三角形或圆形。

本发明还提供了一种上述聚乳酸纤维烟用丝束的制备方法：

按比例配制纤维各层的纺丝原料，通过复合纤维纺丝技术，制得包芯结构聚乳酸纤维，经牵伸、卷曲、烘干，得到聚乳酸纤维烟用丝束；

具体地，包括以下步骤：

S1、将各纺丝原料进行真空干燥，干燥温度80-120℃，干燥时间4-10h，使得含水量不高于200ppm；

S2、按比配制纺丝原料，分别配制外层、内层和芯层纺丝原料，分别经熔融、过滤后，由计量泵定量输入复合纺丝组件，纺丝熔体分别在复合纺丝组件中隔离的腔内分别流动，从同一喷丝孔喷丝挤出，风冷固化成形；

S3、在一定温度的水浴中进行牵伸，牵伸温度为50-80℃，牵伸倍率为2-3倍，经牵伸后的丝束进入卷曲机中进行卷曲，卷曲温度75-85℃，卷曲蒸汽压力为0.4-1.0kgf/cm²，经卷曲后的丝束在60-90℃温度下烘干5-15min定型。

本发明的有益效果为：

(1)以聚乳酸为烟用丝束纤维的主要组成成分，具有良好的循环再生性和生物降解性，复合可持续发展要求，拓宽了原料来源并降低生产成本，同时聚乳酸纤维表面具有与二醋酸纤维素纤维相似的极性基团，对烟气中有害健康的腈类、丙烯醛等极性化合物具有良好的吸附作用，起到降焦减害的作用。

(2)通过设置外-内-芯的三层包芯结构，在提高丝束刚性的同时，提高了聚乳酸外层、芯层与聚丙烯内层间的结合强度，减少材料的层间剥离。

(3)在外层与内层中添加适量的造孔剂，在牵伸步中溶出，获得具有多微孔结构的聚乳酸纤维，其中，含有金属氧化物超微粉的孔道起到类似分子筛的物理、化学双重过滤效果，提高了纤维对烟气的降焦减害作用。

(4)当高温烟气通过时，电气石受热时带有电荷，能对烟气中的带电粒子、极性化合物以及燃烧产生的自由基等进行有效吸附，进一步滤除有害物质。

具体实施方式

结合以下实施例对本发明作进一步描述。

本申请的实施例涉及一种聚乳酸纤维烟用丝束，所述烟用丝束由具有包芯结构的单根纤维组成，所述包芯结构为具有依次为外层-内层-芯层的三层结构，其中，所述外层和芯层为聚乳酸，所述内层为聚丙烯，所述外层和内层上分布有孔洞，所述单根纤维中外层、内层与芯层的质量比例为(20-45):(20-30):10，所述烟用丝束线密度为3-5ktex，单丝线密度为2-6detx，卷曲数为15-30个/25mm；

聚乳酸由天然可再生的植物资源制备，它兼有合成纤维和天然纤维的优点，同时又有良好的生物可降解性，其废弃物在土壤和水中的微生物作用下，可分解成二氧化碳和水，属于完全自然循环型材料；聚乳酸纤维的物理、化学性能与醋纤相似，但较低的成本、良好的可降解性及优良的化学稳定性，加之与醋酸纤维滤嘴在卷烟上有着近似的烟气和口感，使其成为可行的滤嘴材料替代品之一，减少滤嘴对传统石油资源和天然木材的依赖；但聚乳酸纤维的耐热性和刚性硬度较差，由此，在相同吸阻和硬度要求下，需要填充更多的丝束，以聚丙烯作为聚乳酸纤维内芯骨架可以一定程度上提高其耐热性与刚性，但非极性的聚丙烯与极性的聚乳酸间存在由于相容性引起的剥离问题，本申请在保持聚丙烯的内层骨架作用基础上，通过设置外层-内层-芯层的三层包芯结构，形成聚丙烯介于两层聚乳酸间的夹芯结构，同时，基于两者热膨胀系数的差别，两层聚乳酸的同步伸缩提高了层间的结合强度，减少层间剥离；另一方面，聚乳酸比重大，同等规格的滤棒，聚乳酸纤维较醋纤、聚丙烯纤维重，影响加工，本申请通过在纤维上设置孔洞，在降低重量的同时，孔洞为烟气过滤提供吸附作用，降低吸入人体的烟气有害物含量；

所述聚乳酸中右旋聚乳酸含量在5-15％，平均分子量为10-20万，熔点在168-175℃，熔融指数4-10g/10min；

所述外层为添加有造孔剂和电气石超微粉的聚乳酸树脂；所述内层为添加有造孔剂、金属氧化物超微粉、相容剂和结晶成核剂的聚丙烯树脂，所述金属氧化物为MgO、CaO、ZnO、TiO₂、Fe₂O₃中的一种或以上；

分子筛是一种具有孔道结构的硅铝酸氧化物，可用作催化剂、干燥剂、吸附剂、离子交换剂等，将其添加到纤维丝束中可以提高过滤效果，但超细粉碎会破坏部分孔道结构，影响吸附效果，本申请通过添加造孔剂为纤维提供孔洞结构，在降低比重和增强吸附的同时，添加的金属氧化物超微粉以及孔道起到类似分子筛的物理、化学双重过滤效果，进一步提高纤维的过滤吸附作用；

内层聚丙烯中添加相容剂可以提高与外层、芯层聚乳酸树脂间的相容性，进一步提高其剥离强度；

在聚丙烯树脂中，较大的球晶容易成为应力集中点，结晶成核剂的加入使得高分子球晶得到细化，形成更细小致密结晶体，提高内层聚丙烯树脂的骨架力学性能；

电气石是一种以含硼为特征的铝、铁、钠、镁、锂的环状结构硅酸盐矿物，不仅具有压电性，还具有热释电性、自发极化和静电场效应，多作为负离子释放源，本申请将其添加到烟用丝束纤维中，当高温烟气通过时，电气石受热带有电荷形成电场，能对烟气中的带电粒子、极性化合物以及燃烧产生的自由基等进行有效吸附，进一步滤除有害物质；

所述外层中造孔剂的添加量为8-15wt％，电气石超微粉的添加量为6-12wt％；所述内层中造孔剂、金属氧化物超微粉、相容剂和结晶成核剂的添加量分别为6-15wt％、4-10wt％、1-5wt％、2-7wt％；所述造孔剂、金属氧化物超微粉和结晶成核剂的粒径为0.1-5μm；

所述造孔剂为NaCl、KCl、Na₂SO₄、K₂SO₄的一种或以上；

所述相容剂为聚乙二醇；

所述结晶成核剂为纳米碳酸钙、滑石粉、蒙脱土、硅藻土、白碳黑的一种或以上；

所述单根纤维的截面为三角形或圆形。

本申请的实施例还涉及上述聚乳酸纤维烟用丝束的制备方法：

按比例配制纤维各层的纺丝原料，通过复合纤维纺丝技术，制得包芯结构聚乳酸纤维，经牵伸、卷曲、烘干，得到聚乳酸纤维烟用丝束；

复合纤维纺丝法是指由两种或两种以上不同化学组成或性质的高聚物流体，分别输入同一纺丝组件，在组件的适当部位汇合，同时通过一个具有特殊分配系统的喷丝头而制得成纤的纺丝方法，在进入喷丝孔之前，两种成分彼此分离，互不混合，在进入喷丝孔的瞬间，两种液体接触，凝固粘合成一根丝条，从而开成具有两种或两种以上不同组分的复合纤维；

具体地，包括以下步骤：

S1、将各纺丝原料进行真空干燥，干燥温度80-120℃，干燥时间4-10h，使得含水量不高于200ppm；

S2、按比配制纺丝原料，分别配制外层、内层和芯层纺丝原料，分别经熔融、过滤后，由计量泵定量输入复合纺丝组件，纺丝熔体分别在复合纺丝组件中隔离的腔内分别流动，从同一喷丝孔喷丝挤出，风冷固化成形；

S3、在一定温度的水浴中进行牵伸，牵伸温度为50-80℃，牵伸倍率为2-3倍，经牵伸后的丝束进入卷曲机中进行卷曲，卷曲温度75-85℃，卷曲蒸汽压力为0.4-1.0kgf/cm²，经卷曲后的丝束在60-90℃温度下烘干5-15min定型。

实施例1

一种聚乳酸纤维烟用丝束，所述烟用丝束由具有包芯结构的单根纤维组成，所述包芯结构为具有依次为外层-内层-芯层的三层结构，其中，所述外层为添加有造孔剂和电气石超微粉的聚乳酸树脂，外层中造孔剂的添加量为13wt％，电气石超微粉的添加量为7wt％，所述内层为添加有造孔剂、金属氧化物超微粉、相容剂和结晶成核剂的聚丙烯树脂，所述金属氧化物为MgO，所述造孔剂为NaCl，内层中造孔剂、金属氧化物超微粉、聚乙二醇和结晶成核剂的添加量分别为8wt％、10wt％、2wt％、2wt％，所述结晶成核剂为纳米碳酸钙，所述造孔剂、金属氧化物超微粉和结晶成核剂的粒径为0.1-5μm，所述芯层为聚乳酸，所述聚乳酸中右旋聚乳酸含量在5-15％，平均分子量为10-20万，熔点在168-175℃，熔融指数4-10g/10min，所述外层和内层上分布有孔洞，所述单根纤维中外层、内层与芯层的质量比例为(25-35):(30-20):10，所述烟用丝束线密度为3-5ktex，单丝线密度为2-6detx，卷曲数为15-30个/25mm。

实施例2

一种聚乳酸纤维烟用丝束，所述烟用丝束由具有包芯结构的单根纤维组成，所述包芯结构为具有依次为外层-内层-芯层的三层结构，其中，所述外层为添加有造孔剂和电气石超微粉的聚乳酸树脂，外层中造孔剂的添加量为10wt％，电气石超微粉的添加量为10wt％，所述内层为添加有造孔剂、金属氧化物超微粉、相容剂和结晶成核剂的聚丙烯树脂，所述金属氧化物为TiO₂，所述造孔剂为K₂SO₄，内层中造孔剂、金属氧化物超微粉、聚乙二醇和结晶成核剂的添加量分别为12wt％、4wt％、5wt％、6wt％，所述结晶成核剂为滑石粉，所述造孔剂、金属氧化物超微粉和结晶成核剂的粒径为0.1-5μm，所述芯层为聚乳酸，所述聚乳酸中右旋聚乳酸含量在5-15％，平均分子量为10-20万，熔点在168-175℃，熔融指数4-10g/10min，所述外层和内层上分布有孔洞，所述单根纤维中外层、内层与芯层的质量比例为(25-35):(30-20):10，所述烟用丝束线密度为3-5ktex，单丝线密度为2-6detx，卷曲数为15-30个/25mm。

实施例3

实施例1所述一种聚乳酸纤维烟用丝束的制备方法，包括以下步骤：

S1、将各纺丝原料进行真空干燥，干燥温度80-120℃，干燥时间4-10h，使得含水量不高于200ppm；

S2、按比配制纺丝原料，在密炼机或双螺杆中熔融共混，分别配制外层、内层和芯层纺丝熔融原料，经过滤后，由计量泵定量输入复合纺丝组件，纺丝熔体分别在复合纺丝组件中隔离的腔内分别流动，从同一圆形喷丝孔喷丝挤出，喷丝板孔数在8000-12000，15-25℃下风冷固化成形；

S3、在50-70℃温度的水浴中进行牵伸，牵伸比为2-3，牵伸速度小于300m/min，经牵伸后的丝束进入卷曲机中进行卷曲，卷曲温度75-85℃，卷曲蒸汽压力为0.4-0.8kgf/cm²，经卷曲后的丝束在60-90℃温度下烘干5-15min定型。

实验例

实施例1制备的丝束，在滤棒成型机通过开松、添加增塑剂、成型，制为滤棒，增塑剂为三醋酸甘油酯，添加量为7wt.％，测定滤棒性能，同时以醋酸纤维和聚丙烯纤维为对比。

(1)重量：电子天平称量，以10支滤棒为单位，称量3次，计平均值；

(2)水分：滤棒在100℃烘箱中干燥，由干燥前后的质量计算水分含量；

(3)硬度：为固定载荷下滤棒的压缩直径和原直径之比，采用Cerulean QTM组件测定；

(4)吸阻：温度20℃，湿度65％，滤棒两头通过恒定流量(17.5mL/s)的空气，水柱压力表测量压力差。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (10)

1.一种聚乳酸纤维烟用丝束，其特征在于，所述烟用丝束由具有包芯结构的单根纤维组成，所述包芯结构为具有依次为外层-内层-芯层的三层结构，其中，所述外层和芯层为聚乳酸，所述内层为聚丙烯，所述外层和内层上分布有孔洞，所述单根纤维中外层、内层与芯层的质量比例为(20-45):(20-30):10，所述烟用丝束线密度为3-5ktex，单丝线密度为2-6detx，卷曲数为15-30个/25mm。

2.根据权利要求1所述的一种聚乳酸纤维烟用丝束，其特征在于，所述聚乳酸中右旋聚乳酸含量在5-15％，平均分子量为10-20万，熔点在168-175℃，熔融指数4-10g/10min。

3.根据权利要求1所述的一种聚乳酸纤维烟用丝束，其特征在于，所述外层为添加有造孔剂和电气石超微粉的聚乳酸树脂；所述内层为添加有造孔剂、金属氧化物超微粉、相容剂和结晶成核剂的聚丙烯树脂，所述金属氧化物为MgO、CaO、ZnO、TiO₂、Fe₂O₃中的一种或以上。

4.根据权利要求3所述的一种聚乳酸纤维烟用丝束，其特征在于，所述外层中造孔剂的添加量为8-15wt％，电气石超微粉的添加量为6-12wt％；所述内层中造孔剂、金属氧化物超微粉、相容剂和结晶成核剂的添加量分别为6-15wt％、4-10wt％、1-5wt％、2-7wt％；所述造孔剂、金属氧化物超微粉和结晶成核剂的粒径为0.1-5μm。

5.根据权利要求3所述的一种聚乳酸纤维烟用丝束，其特征在于，所述造孔剂为NaCl、KCl、Na₂SO₄、K₂SO₄的一种或以上。

6.根据权利要求3所述的一种聚乳酸纤维烟用丝束，其特征在于，所述相容剂为聚乙二醇。

7.根据权利要求3所述的一种聚乳酸纤维烟用丝束，其特征在于，所述结晶成核剂为纳米碳酸钙、滑石粉、蒙脱土、硅藻土、白碳黑的一种或以上。

8.根据权利要求1-7任一所述的一种聚乳酸纤维烟用丝束，其特征在于，所述单根纤维的截面为三角形或圆形。

9.一种聚乳酸纤维烟用丝束的制备方法，其特征在于，按比例配制纤维各层的纺丝原料，通过复合纤维纺丝技术，制得包芯结构聚乳酸纤维，经牵伸、卷曲、烘干，得到聚乳酸纤维烟用丝束。

10.根据权利要求9所述的一种聚乳酸纤维烟用丝束的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、将各纺丝原料进行真空干燥，干燥温度80-120℃，干燥时间4-10h，使得含水量不高于200ppm；

S2、按比配制纺丝原料，分别配制外层、内层和芯层纺丝原料，分别经熔融、过滤后，由计量泵定量输入复合纺丝组件，纺丝熔体分别在复合纺丝组件中隔离的腔内分别流动，从同一喷丝孔喷丝挤出，风冷固化成形；

S3、在一定温度的水浴中进行牵伸，牵伸温度为50-80℃，牵伸倍率为2-3倍，经牵伸后的丝束进入卷曲机中进行卷曲，卷曲温度75-85℃，卷曲蒸汽压力为0.4-1.0kgf/cm²，经卷曲后的丝束在60-90℃温度下烘干5-15min定型。