CN111466612A - 一种含有纤维素的卷烟滤嘴吸附材料 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种含有纤维素的卷烟滤嘴吸附材料。该卷烟滤嘴吸附材料由海藻酸枝接壳聚糖同由具有多孔状结构的纤维素得到的纤维素共混形成，海藻酸枝接壳聚糖为由海藻酸、壳聚糖进行缩水反应所得到的产物。添加多孔状纤维素作为物理吸附作用，物理吸附作用是由于其具有多孔结构；以由海藻酸、壳聚糖进行缩水反应所得到的海藻酸枝接壳聚糖作为化学吸附，化学吸附是因其含有丰富的羟基、氨基，能通过同酚类、羰基类卷烟有害物质发生氢键作用。物理吸附将卷烟烟气加速了有害物质向材料表面的扩散速率直到抵达材料的表面，在此情况下，化学吸附能将有害物质结合牢固，防止其解脱，二者这样的协同作用，从而获得对卷烟有害物质的高效吸附率。
Description
技术领域
本发明涉及滤嘴材料的技术领域，具体涉及一种含有纤维素的卷烟滤嘴吸附材料。
背景技术
我国是烟草生产消费大国，吸烟者高达3亿人，每年消耗的烟草占世界的总销售的1/3。而烟草中存在各类对人体有一定伤害的有害物质，如甲醛、邻苯二酚、间苯二酚、重金属离子等这些强致癌物质。为此，人们开始寻求减少卷烟烟气中的痕量有害物质的方法。
目前主要采用的方法是通过物理吸附和化学吸附过滤到卷烟烟气中的有害物质。如中国专利CN106824061A 公开了一种在二醋酸纤维素丝束中添加天然沸石颗粒过滤烟嘴，通过大比表面的沸石来吸附烟气中有害物质，但这种简单物理吸附方式吸附效果一般，选择性较差导致容易吸附饱和。
又如中国专利CN109316830A公开了一种烟气过滤复合材料，通过其材料上所含有的极性元素，选着性的吸附卷烟烟气中如甲醛、丙醛这类极性物质，然而这种极性、氢键元素对有害物质的反应较为迟钝，不能高效的、快速的吸附有害物质。
发明内容
为解决上述问题，本申请提供一种含有纤维素的卷烟滤嘴吸附材料，该卷烟滤嘴吸附材料能够高效去除卷烟烟气中的痕量有害物质的目的。
本发明人已经发现，壳聚糖的分子结构中含有多个的氨基，海藻酸的分子结构中含有多个的羟基，这不仅为二者发生氨基、羟基的缩水反应创造了便利条件，同时也是二者缩水反应产物中丰富的氨基、羟基的来源。这些氨基、羟基是能够较为容易地同卷烟烟气的酚类、羰基有害物质发生氢键作用以产生对其的吸附作用。纤维素的多孔结构对卷烟有害物质的物理吸附力。物理吸附力将有害物质吸附至吸附材料表面后，使得有害物质在吸附材料表面不断富集，产生较大的浓度差，从而促进分子间氢键方式的吸附发生。吸附材料因含有壳聚糖、海藻酸的主体结构而具有粘性，能够同卷烟滤棒中例如丝束体发生粘附而可简单掺入。基于此，完成了本申请的创造。
根据本申请的一个实施方案，卷烟滤嘴吸附材料，由海藻酸枝接壳聚糖同具有多孔状结构的纤维素共混形成；其中，海藻酸枝接壳聚糖为由海藻酸、壳聚糖进行缩水反应所得到的产物。
这里，缩水反应的反应式可表示如下：
需要指出的是，此处海藻酸的来源可以是海藻酸及其水溶性盐，水溶性盐可以有海藻酸钠等。海藻酸的分子量较佳地为100～300kDa，例如100 kDa、110 kDa、130 kDa、180kDa、220 kDa、250 kDa、280 kDa或300 kDa。
壳聚糖的分子量较佳地为为10～150kDa，例如10 kDa、20 kDa、50 kDa、80 kDa、120 kDa、140 kDa、150 kDa等。
为了促进上述缩水反应的进行，可加入催化剂。催化剂可列举出强碱，优选为氢氧化钠、氢氧化钾。当然也可以为其它有机碱。
需要说明的是，缩水反应也可以在酸性环境下进行，但其反应时间长一些。
典型地，强碱、海藻酸、壳聚糖的质量之比可以为1：2~5：2~5，例如1：2：2、1：2.1：2.1、1：2.5：2.5、1：3：3、1：3.5：3、1：4：3.5、1：4.5：4、1：5：5等。
基于纤维素的比表面积的适宜性等考虑，纤维素可以经过膨胀孔的处理。膨胀孔由致孔剂来实现。纤维素、致孔剂的合适的质量之比为5~10:1，例如5:1、5.2:1、5.5:1、6:1、7:1、7.5:1、8:1、9:1、9.5:1、10:1等。
至于致孔剂处理具体为，在添加尿素、氢氧化物强碱混合液下将纤维素、致孔剂共混得到。具体地，可先将纤维素加热活化处理；再将经活化处理的纤维素、致孔剂以及由尿素、氢氧化物强碱组成的混合液共混，而后冷冻，再置于常温下即可溶解。
此处，致孔剂可列举出氯化锂、溴化锂、硝酸锂、邻苯二甲酸二苯酯、磷酸三乙酯中的一种或至少二种。
纤维素材料没有特别严苛的限定，例如棉浆纤维素、木浆纤维素、竹浆纤维素中的一种。
前述，共混可以包括以下步骤：
（1）使所述纤维素分散于水相中进行造孔，得到纤维素溶液；
（2）使包含海藻酸、壳聚糖的反应原料分散于水相中，并使之反应，得到缩聚产物混合液，再采用醇溶剂提取出海藻酸钠接枝壳聚糖溶液；
（3）共混纤维素溶液、海藻酸钠接枝壳聚糖溶液，再干燥固化，得到卷烟滤嘴吸附材料。
上述，步骤（1）中造孔还在加入尿素、氢氧化物强碱的混合液的条件下进行，这样能够促进或加快造孔作用。
上述，步骤（2）中分散的加料方式可以是所有原料同时投料后分散，也可以是先将海藻酸分散在水相后再投入剩余的原料。总之，投料的顺序对本申请的效果不会产生特别的影响。
步骤（2）中，醇溶剂提取的原理是已为本领域技术人员能想到的萃取。在操作上，在加入醇溶剂后，可以采用离心分离的方式，去除分层的上清液。
缩聚产物混合液与醇溶剂的体积之比为1:2~5，例如1:2、1:2.1、1:2.2、1:2.5、1:3、1:4、1:4.5、1:5等。
此处，醇溶剂可以为C1～4醇溶剂，例如乙醇、丙醇或异丙醇中的一种或至少二种。
步骤（3）中，纤维素溶液、海藻酸枝接壳聚糖溶液的质量之比对吸附效果不会造成比较明显的影响。作为一种实现方式，多孔状纤维素溶液、海藻酸枝接壳聚糖溶液的质量之比可以为1.5～8：1，例如1.5：1、1.8：1、2：1、3：1、4：1、5：1、6：1、7：1、7.5：1、8：1等。
共混的温度为50～80℃，例如50℃、52℃、55℃、60℃、70℃、75℃、78℃、80℃等。
干燥固化的目的是不仅仅是去除醇溶剂，而也同步去除凝胶材料中的水份。这里，所述干燥固化的温度可以为120~160℃，干燥固化时间为3~5h。
本申请，添加多孔状纤维素作为物理吸附作用，物理吸附作用是由于其具有多孔结构；以由海藻酸、壳聚糖进行缩水反应所得到的海藻酸枝接壳聚糖作为化学吸附，化学吸附是因其含有丰富的羟基、氨基，能通过同酚类、羰基类卷烟有害物质发生氢键作用。物理吸附将卷烟烟气加速了有害物质向材料表面的扩散速率直到抵达材料的表面，于此情况下，化学吸附能将有害物质结合牢固，防止其解脱，二者这样的协同作用，从而获得对卷烟有害物质的高效吸附率。
附图说明
图1 本发明实施例1~3卷烟滤嘴吸附材料的孔径-孔容积对应关系图。
具体实施方式
以下是本申请的具体实施例，对本申请的技术方案作进一步的描述，但本申请并不限于这些实施例。
实施例1
S1：称量一定质量的聚合度为500的竹浆纤维素物料，置于150℃环境加热20min，得到热活化的竹浆纤维素物料；以蒸馏水为溶剂，配制6wt%氢氧化钠、3wt%尿素含量的氢氧化钠/尿素混合物水溶液；按照质量比5:1将热活化的竹浆纤维素物料、硝酸锂/邻苯二甲酸二苯酯混合物分散于氢氧化钠/尿素混合物水溶液中，搅拌均匀得到竹浆纤维素混合物；然后将该竹浆纤维素混合物置于-120℃温度条件下冷冻5h至完全冷冻，常温溶解并搅拌直至完全溶解，得到竹浆纤维素混合物溶液。
S2：将分子量为100kDa的海藻酸钠粉末分散到蒸馏水中，加热至30℃条件下共混，获得上层清液。按照质量比将1份氢氧化钠、2份分子量为10kDa的壳聚糖分散于2份海藻酸钠含量的上层清液中，回流10小时后冷却至室温，获得产物混合液。在该海藻酸钠接枝壳聚糖溶液中加入2倍体积比的提纯溶剂，离心去除上层清液直至pH值下降到7，获得提纯后的海藻酸钠接枝壳聚糖溶液。
S3：将上述纤维素溶液与海藻酸钠接枝壳聚糖聚合物溶液在70℃条件下按照1.5：1质量比共混，得到纤维素/海藻酸钠接枝壳聚糖凝胶，然后将纤维素/海藻酸钠接枝壳聚糖凝胶置于140℃干燥环境下固化2h，获得纤维素基吸附材料。
将本实施例制备的500g卷烟滤嘴吸附材料置于标准实验箱中在常温下测试对醛类/酚类有害物质的吸附效果，测试数据如表1所示：
表1醛类/酚类有害物质吸附能力实验数据
实施例2
S1：称量一定质量的聚合度为500的竹浆纤维素物料，置于200℃环境加热40min，得到热活化的竹浆纤维素物料；以蒸馏水为溶剂，配制7wt%氢氧化钠、4wt%尿素含量的氢氧化钠/尿素混合物水溶液；按照质量比8:1将热活化的竹浆纤维素物料、硝酸锂/邻苯二甲酸二苯酯混合物分散于氢氧化钠/尿素混合物水溶液中，搅拌均匀得到竹浆纤维素混合物；然后将该竹浆纤维素混合物置于-50℃温度条件下冷冻12h至完全冷冻，常温溶解并搅拌直至完全溶解，得到竹浆纤维素混合物溶液
S2：将分子量为300kDa的海藻酸钠粉末分散到蒸馏水中，加热至70℃条件下共混，获得上层清液。按照质量比将1份氢氧化钠、5份分子量为150kDa的壳聚糖分散于5份海藻酸钠含量的上层清液中，回流20小时后冷却至室温，获得缩聚产生混合溶液。在该缩聚产生混合溶液中加入5倍体积比的提纯溶剂，离心去除上层清液直至pH值下降到6，获得提纯后的海藻酸钠接枝壳聚糖溶液
S3：将S1获得的纤维素溶液与S2获得的海藻酸钠接枝壳聚糖聚合物溶液在70℃条件下按照8：1质量比共混，得到纤维素/海藻酸钠接枝壳聚糖凝胶然后将纤维素/海藻酸钠接枝壳聚糖凝胶置于140℃干燥环境下固化2h，获得纤维素基吸附材料。
将本实施例制备的500g卷烟滤嘴吸附材料置于标准实验箱中在常温下测试对醛类/酚类有害物质的吸附效果，测试数据如表2所示：
表2醛类/酚类有害物质吸附能力实验数据
实施例3
S1：称量一定质量的聚合度为500的竹浆纤维素物料，置于200℃环境加热60min，得到热活化的竹浆纤维素物料；以蒸馏水为溶剂，配制8wt%氢氧化钠、5wt%尿素含量的氢氧化钠/尿素混合物水溶液；按照质量比10:1将热活化的竹浆纤维素物料、硝酸锂/邻苯二甲酸二苯酯混合物分散于氢氧化钠/尿素混合物水溶液中，搅拌均匀得到竹浆纤维素混合物；然后将该竹浆纤维素混合物置于-20℃温度条件下冷冻24h至完全冷冻，常温溶解并搅拌直至完全溶解，得到竹浆纤维素混合物溶液
S2：将分子量为200kDa的海藻酸钠粉末分散到蒸馏水中，加热至70℃条件下共混，获得上层清液。按照质量比将1份氢氧化钠、3.5份分子量为150kDa的壳聚糖分散于3.5份海藻酸钠含量的上层清液中，回流20小时后冷却至室温，获得缩合产物混合溶液。在该缩合产物混合溶液中加入4倍体积比的提纯溶剂，离心去除上层清液直至pH值下降到6，获得提纯后的海藻酸钠接枝壳聚糖溶液。
S3：将S1获得的纤维素溶液与S2获得的海藻酸钠接枝壳聚糖聚合物溶液在80℃条件下按照3：1质量比共混，得到纤维素/海藻酸钠接枝壳聚糖凝胶然后将纤维素/海藻酸钠接枝壳聚糖凝胶置于120℃干燥环境下固化3h，获得卷烟滤嘴吸附材料。
将本实施例制备的500g卷烟滤嘴吸附材料置于标准实验箱中在常温下测试对醛类/酚类有害物质的吸附效果，测试数据如表3所示：
表3 醛类/酚类有害物质吸附能力实验数据
实施例4
S1：称量一定质量的聚合度为700的竹浆纤维素物料，置于200℃环境加热60min，得到热活化的竹浆纤维素物料；以蒸馏水为溶剂，配制7wt%氢氧化钠、4wt%尿素含量的氢氧化钠/尿素混合物水溶液；按照质量比10:1将热活化的竹浆纤维素物料、硝酸锂/邻苯二甲酸二苯酯混合物分散于氢氧化钠/尿素混合物水溶液中，搅拌均匀得到竹浆纤维素混合物；然后将该竹浆纤维素混合物置于-20℃温度条件下冷冻24h至完全冷冻，常温溶解并搅拌直至完全溶解，得到竹浆纤维素混合物溶液。
S2：将分子量为300kDa的海藻酸钠粉末分散到蒸馏水中，加热至70℃条件下共混，获得上层清液。按照质量比将1份氢氧化钠、5份分子量为150kDa的壳聚糖分散于5份海藻酸钠含量的上层清液中，回流20小时后冷却至室温，获得缩水产物混合溶液。在该缩水产物混合中加入5倍体积比的提纯溶剂，离心去除上层清液直至pH值下降到6，获得提纯后的海藻酸钠接枝壳聚糖溶液，
S3：将S1获得的纤维素溶液与S2获得的海藻酸钠接枝壳聚糖聚合物溶液在60℃条件下按照5：1质量比共混，得到纤维素/海藻酸钠接枝壳聚糖凝胶然后将纤维素/海藻酸钠接枝壳聚糖凝胶置于140℃干燥环境下固化3h，获得卷烟滤嘴吸附材料。
将本实施例制备的500g卷烟滤嘴吸附材料置于标准实验箱中在常温下测试对醛类/酚类有害物质的吸附效果，测试数据如表4所示：
表4 醛类/酚类有害物质吸附能力实验数据
对比例1
S1：称量一定质量的聚合度为700的竹浆纤维素物料，置于200℃环境加热60min，得到热活化的竹浆纤维素物料；以蒸馏水为溶剂，配制7wt%氢氧化钠、4wt%尿素含量的氢氧化钠/尿素混合物水溶液；按照质量比10:1将热活化的竹浆纤维素物料、硝酸锂/邻苯二甲酸二苯酯混合物分散于氢氧化钠/尿素混合物水溶液中，搅拌均匀得到竹浆纤维素混合物；然后将该竹浆纤维素混合物置于-20℃温度条件下冷冻24h至完全冷冻，常温溶解并搅拌直至完全溶解，得到竹浆纤维素混合物溶液。
S2：将分子量为300kDa的海藻酸钠粉末分散到蒸馏水中，加热至70℃条件下共混，获得上层清液，并向该上清液中加入等质量的分子量为150kDa的壳聚糖，搅拌均匀，得到海藻酸钠-壳聚糖共混液。
S3：将S1获得的纤维素溶液与S2获得的海藻酸钠-壳聚糖共混液在60℃条件下按照5：1质量比共混，然后置于140℃干燥环境下干燥3h，获得卷烟滤嘴吸附材料。
本实施例制备的500g卷烟滤嘴吸附材料置于标准实验箱中在常温下测试对醛类/酚类有害物质的吸附效果，测试数据如表5所示：
表5 醛类/酚类有害物质吸附能力实验数据
对比例2
本例中卷烟滤嘴吸附材料，不添加多孔状纤维素，其它同实施例4。
将500g卷烟滤嘴吸附材料置于标准实验箱中在常温下测试对醛类/酚类有害物质的吸附效果，测试数据如表6所示：
表6 醛类/酚类有害物质吸附能力实验数据
由图1可以看出，本申请实施例1～3的孔径为9～13nm区间孔径的孔容积较高。
由测试结果可以看出，本申请实施例的醛类、酚类有害物质剩余含量显著低于对比例1，这说明壳聚糖、海藻酸反应后所得材料明显具有吸附性，而二者物理共混几乎不具有吸附性。其原因是：壳聚糖、海藻酸反应后能提高氨基、羟基的活性。
实施例4的的醛类、酚类有害物质剩余含量显著低于对比例2，这说明多孔纤维素对吸附率的促进作用。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本申请精神作举例说明。本申请所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本申请的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
Claims (10)
1.一种含有纤维素的卷烟滤嘴吸附材料，其特征在于，由海藻酸枝接壳聚糖同具有多孔状结构的纤维素共混形成；其中，海藻酸枝接壳聚糖为由海藻酸、壳聚糖进行缩水反应所得到的产物。
2.根据权利要求1所述卷烟滤嘴吸附材料，其特征在于，所述纤维素为经过致孔剂处理所得到；所述纤维素、致孔剂的质量之比为5~10:1。
3.根据权利要求2所述卷烟滤嘴吸附材料，其特征在于，所述致孔剂为氯化锂、溴化锂、硝酸锂、邻苯二甲酸二苯酯、磷酸三乙酯中的一种或至少二种。
4.根据权利要求2所述卷烟滤嘴吸附材料，其特征在于，所述致孔剂处理具体为，在添加尿素、氢氧化物强碱混合液下将纤维素、致孔剂共混得到。
5.根据权利要求1所述卷烟滤嘴吸附材料，其特征在于，所述海藻酸的分子量为100～300kDa。
6.根据权利要求1所述卷烟滤嘴吸附材料，其特征在于，所述壳聚糖的分子量为10～150kDa。
7.根据权利要求1所述卷烟滤嘴吸附材料，其特征在于，所述缩水反应的催化剂为强碱，优选为氢氧化钠、氢氧化钾。
8.根据权利要求7所述卷烟滤嘴吸附材料，其特征在于，所述强碱、海藻酸、壳聚糖的质量之比为1：2~5：2~5。
9.根据权利要求1所述卷烟滤嘴吸附材料，其特征在于，其制备方法包括以下步骤：
（1）使所述纤维素分散在水相中，得到纤维素溶液；
（2）使包含海藻酸、壳聚糖的反应原料分散于水相中，并使之反应，得到缩聚产物混合液，再采用醇溶剂提取出海藻酸接枝壳聚糖溶液；
（3）共混所述纤维素溶液、海藻酸接枝壳聚糖溶液，再干燥固化，得到卷烟滤嘴吸附材料。
10.根据权利要求9所述卷烟滤嘴吸附材料，其特征在于，步骤（3）中所述共混的温度为50～80℃。
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