CN114794535A - 一种增强型过滤棉及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于烟草过滤吸附技术领域，具体涉及一种增强型过滤棉及其制备方法，所述过滤由纤维丝束及分布于纤维丝束间的薄片状高分子材料组成，且过滤棉的密度为70‑250kg/m3，其中，纤维丝束的质量占比为50‑95％。本发明解决了现有过滤嘴除焦油效果差的问题，利用纤维丝束和分布于纤维丝束间的高分子材料形成新型纳米复合材料，具有很高的比表面积及多重的折流效果，对大分子有机物、微小颗粒物具有优异的截留效果。
Description
技术领域
本发明属于烟草过滤吸附技术领域，具体涉及一种增强型过滤棉及其制备方法。
背景技术
烟草燃烧后会产生大量对人体有害物质，如焦油、烟碱、CO、氮氧化物、挥发物芳香烃、HCN、挥发性醛酮类化合物等，其中焦油被普遍认为是主要致癌物。目前醋酸纤维烟嘴和聚丙烯烟嘴是最普遍使用的香烟滤嘴，可以过滤掉部分焦油、烟碱等有害物质，但市场上香烟的焦油含量仍普遍高于6mg/支，处于较高水平。因此，烟草领域需要一种过滤能力更佳的滤嘴材料。
发明内容
针对现有技术中的问题，本发明提供一种增强型过滤棉，解决了现有过滤嘴除焦油效果差的问题，利用纤维丝束和分布于纤维丝束间的高分子材料形成新型纳米复合材料，具有很高的比表面积及多重的折流效果，对大分子有机物、微小颗粒物具有优异的截留效果。
为实现以上技术目的，本发明的技术方案是：
一种增强型过滤棉，由纤维丝束及分布于纤维丝束间的薄片状高分子材料组成，密度为70-250kg/m3，纤维丝束的质量占比为50-95％。
所述纤维丝束与纤维丝束间存在50μm以上的孔隙，且纤维丝束的单丝直径为5-40μm。
所述薄片状高分子材料的厚度小于5μm，且与纤维丝束黏连。在800mL/min的气流冲击截面直径6mm的增强型过滤棉时，薄片高分子材料不会从过滤棉中脱落；同时，薄片状高分子材料在2000倍以下的放大倍数下呈现薄片状，在更高的放大倍数下，比如10000倍、20000倍的情况下，可以观察到，薄片由众多的更细小的纤维组成，其直径约为100-300nm。更细小的纤维，表明材料具有更大的比表面积，具有更优的吸附能力。所述薄片状高分子材料由直径1微米以下的纤维丝构成，该细小纤维组成的高分子材料具有更大的比表面积，具有更优的吸附能力。
所述纤维丝束是薄片状高分子材料的载体，其材质采用醋酸纤维、聚丙烯纤维、PET纤维、PE纤维、PA纤维中的一种，其中，醋酸纤维因其截面呈Y型，具有更好的结合、支撑效果。同时，纤维丝束呈取向排列，作为过滤材料时，二更适合于介质的通过，介质的流通阻力相对较小。本发明中选用的纤维丝束，80％以上的纤维丝束同向排列，且与高分子材料复合后，整体密度控制在70-250kg/m3，在确保过滤效果的同时，在一定压力下并不显著影响介质的流通
所述薄片状高分子材料采用天然高分子材料，其具体材质采用明胶、果胶、丝素蛋白、大豆蛋白、甲壳素、壳聚糖、海藻酸钠、纤维素、纳米纤维素、改性淀粉、魔芋中的一种或多种，所述薄片状高分子材料采用溶胶-凝胶法制得。
所述增强型过滤棉通过有机硅憎水化处理，将过滤棉表面进行憎水化，从而实现对亲油性物质的选择性吸附。即，本过滤棉具有憎水性，且憎水率大于90％。
所述增强型过滤棉的制备工艺，包括如下步骤：
步骤1，将天然高分子材料溶解于水中，配制成质量浓度为0.1-10％的高分子溶液；
步骤2，将棉芯浸润在高分子溶液中，然后将棉芯浸没在盐溶液中，使高分子溶液凝胶化；
步骤3，将凝胶后的棉芯进行憎水处理，经干燥处理，得到增强型过滤棉。
所述步骤1中的天然高分子材料采用明胶、果胶、丝素蛋白、甲壳素、壳聚糖、海藻酸钠、纤维素、改性淀粉、大豆蛋白、魔芋中的一种或多种，所述纤维素优选为纳米纤维素。
所述步骤2中的盐溶液的溶质为钙盐、镁盐、锌盐、钡盐中的一种或多种。其酸根通常为氯离子、硫酸根、醋酸根、草酸根、乳酸根，柠檬酸根、磷酸根，硝酸根，优选的为在中性或酸性水中可溶或微溶的盐类。
所述步骤2还包括将浸润后的棉芯进行加热，使高分子溶液实现凝胶化转变，或在浸没于盐溶液中的同时进行加热，使高分子溶液实现凝胶化转变。
所述步骤2的凝胶化之后进行干燥处理，所述干燥处理采用超临界干燥工艺或冰冻干燥工艺，比较容易实现微观结构的完整性；通过合适的常压温度控制，也可以实现干燥过程并得到需要的材料结构。
所述步骤3中的憎水处理通过硅烷偶联剂或有机硅单体与凝胶后的棉芯反应。
从以上描述可以看出，本发明具备以下优点：
1.本发明解决了现有过滤嘴除焦油效果差的问题，利用纤维丝束和分布于纤维丝束间的高分子材料形成新型纳米复合材料，具有很高的比表面积及多重的折流效果，对大分子有机物、微小颗粒物具有优异的截留效果。
2.本发明可用于香烟外部的过滤嘴产品中，亦可直接替换烟嘴中醋酸纤维或聚丙烯纤维；其过滤性能也可应用于厨房油烟的过滤、污水的过滤等环境治理领域。
附图说明
图1是实施例1中的过滤棉的100倍显微镜放大图；
图2是实施例2中的过滤棉的100倍显微镜放大图；
图3是实施例2中的薄片物质进行电子显微镜观察；
图4是实施例2的棉芯的过滤效果图。
具体实施方式
结合图1至图4，详细说明本发明的一个具体实施例，但不对本发明的权利要求做任何限定。
实施例1
将大豆蛋白溶解于水中，配制成质量浓度2％的大豆蛋白溶液，选用直径6mm的聚丙烯棉芯，丝径约20um，密度150kg/m3，棉芯浸入大豆蛋白溶液，充分浸润后，将浸润过的棉芯浸没于2％氯化钙溶液中，加热至60℃，使棉芯中的液体凝胶化；将凝胶后的棉芯置于六甲基二硅氮烷中进行憎水处理2h，将憎水处理后的棉芯放入-50℃快速冷冻4h后，放入真空冷冻干燥箱，干燥24h，即得到大豆蛋白增强的过滤棉芯，密度179kg/m3。对该棉芯进行微观形貌检测，其100倍显微镜放大图如图1，可见纤维间存在大量薄片状物质。在800ml/min的气流冲击增强型过滤棉截面时，未见薄片高分子材料从过滤棉中脱落。按照GB/T19609-2004《卷烟用常规分析用吸烟机测定总粒相物和焦油》的测试方法，对棉芯进行过滤效果测试，结果显示增强后的棉芯，对焦油的过滤效果提高了45.5％，对烟碱的过滤效果提高了29.1％。
实施例2
将海藻酸钠溶解于水中，配制成质量浓度2％的海藻酸钠溶液，选用直径6mm的聚丙烯棉芯，丝径约20um，密度150kg/m3，棉芯浸入海藻酸钠溶液，充分浸润后，将浸润过的棉芯浸没于1％氯化钙溶液中，加热至50℃，使棉芯中的液体凝胶化；将凝胶后的棉芯置于三甲基氯硅烷溶液中进行憎水处理1h，将憎水处理后的棉芯放入-50℃快速冷冻4h后，放入真空冷冻干燥箱，干燥24h，即得到海藻酸钠增强的过滤棉芯，密度185kg/m3。对该棉芯进行微观形貌检测，其100倍显微镜放大图如图2，可见纤维间存在大量薄片状物质。对薄片物质进行电子显微镜观察，放大20000倍，如图3，可见直径约200nm的细小纤维丝。在800ml/min的气流冲击增强型过滤棉截面时，未见薄片高分子材料从过滤棉中脱落。按照GB/T 19609-2004《卷烟用常规分析用吸烟机测定总粒相物和焦油》的测试方法，对棉芯进行过滤效果测试，总粒相物过滤结果如图4。结果显示增强后的棉芯，对焦油及烟碱等的过滤效果大幅提升。
实施例3
将海藻酸钠和果胶质量比1：1溶解于水中，配制成质量浓度0.2％的海藻酸钠和0.2％果胶的混合溶液，选用直径8mm的聚丙烯棉芯，丝径约40um，密度90kg/m3，棉芯浸入海藻酸钠溶液，充分浸润后，将浸润过的棉芯浸没于1％乳酸锌溶液中，加热至50℃，使棉芯中的液体凝胶化；将凝胶后的棉芯放入-50℃快速冷冻4h后，放入真空冷冻干燥箱，干燥24h，即得到海藻酸钠/果胶增强的过滤棉芯，密度95kg/m3。对该棉芯进行微观形貌检测，可见纤维间存在大量薄片状物质。在800ml/min的气流冲击增强型过滤棉截面时，未见薄片高分子材料从过滤棉中脱落。按照GB/T 19609-2004《卷烟用常规分析用吸烟机测定总粒相物和焦油》的测试方法，对焦油及烟碱的过滤效果分别提升了23％和18.5％。
实施例4
将丝素蛋白溶解于水中，配制成质量浓度0.5％的丝素蛋白溶液，选用直径6mm的聚丙烯棉芯，丝径约20um，密度150kg/m3，棉芯浸入丝素蛋白溶液，充分浸润后，将浸润过的棉芯浸没于1％磷酸钙溶液中，加热至60℃，使棉芯中的液体凝胶化；将凝胶后的棉芯置于甲基三乙氧基硅烷与乙醇的混合溶液中进行憎水处理1h，将憎水处理后的棉芯放入-50℃快速冷冻4h后，放入真空冷冻干燥箱，干燥24h，即得到丝素蛋白增强的过滤棉芯，密度165kg/m3。对该棉芯进行微观形貌检测，其纤维间厚度小于3um的薄片状物质。在800ml/min的气流冲击增强型过滤棉截面时，未见薄片高分子材料从过滤棉中脱落。按照GB/T 19609-2004《卷烟用常规分析用吸烟机测定总粒相物和焦油》的测试方法，对棉芯进行过滤效果测试，结果显示增强后的棉芯，对焦油及烟碱的过滤效果分别提升了29％和26.5％。
实施例5
分别采用不同材料，根据实施例1的工艺流程，制备得到多种增强型过滤棉，并测试了其与原过滤棉的焦油过滤效果提升比例。具体参数如下表所示：
可以理解的是，以上关于本发明的具体描述，仅用于说明本发明而并非受限于本发明实施例所描述的技术方案。本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果；只要满足使用需要，都在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种增强型过滤棉，其特征在于：由纤维丝束及分布于纤维丝束间的薄片状高分子材料组成，且过滤棉的密度为70-250kg/m3，其中，纤维丝束的质量占比为50-95％。
2.根据权利要求1所述的增强型过滤棉，其特征在于：所述纤维丝束与纤维丝束间存在50μm以上的孔隙，且纤维丝束的单丝直径为5-40μm。
3.根据权利要求1所述的增强型过滤棉，其特征在于：所述薄片状高分子材料的厚度小于5μm，且与纤维丝束黏连。
4.根据权利要求1所述的增强型过滤棉，其特征在于：所述纤维丝束是薄片状高分子材料的载体，其材质采用醋酸纤维、聚丙烯纤维、PET纤维、PE纤维、PA纤维中的一种。
5.根据权利要求1所述的增强型过滤棉，其特征在于：所述纤维丝束呈取向排列。
6.根据权利要求1所述的增强型过滤棉，其特征在于：所述薄片状高分子材料采用天然高分子材料。
7.根据权利要求1所述的增强型过滤棉，其特征在于：所述增强型过滤棉的制备工艺，包括如下步骤：
步骤1，将天然高分子材料溶解于水中，配制成质量浓度为0.1-10％的高分子溶液；
步骤2，将棉芯浸润在高分子溶液中，然后将棉芯浸没在盐溶液中，使高分子溶液凝胶化；
步骤3，将凝胶后的棉芯进行憎水处理，经干燥处理，得到增强型过滤棉。
8.根据权利要求7所述的增强型过滤棉，其特征在于：所述步骤1中的天然高分子材料采用明胶、果胶、丝素蛋白、甲壳素、壳聚糖、海藻酸钠、纤维素、改性淀粉、大豆蛋白、魔芋中的一种或多种。
9.根据权利要求7所述的增强型过滤棉，其特征在于：所述步骤2中的盐溶液的溶质为钙盐、镁盐、锌盐、钡盐中的一种或多种。
10.根据权利要求7所述的增强型过滤棉，其特征在于：所述步骤3中的憎水处理通过硅烷偶联剂或有机硅单体与凝胶后的棉芯反应。
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