CN1603036A

CN1603036A - 功能纳米短纤维的制备及其在香烟过滤嘴中的应用

Info

Publication number: CN1603036A
Application number: CN 200410084223
Authority: CN
Inventors: 林童
Original assignee: Zhao Huguang
Current assignee: Zhao Huguang
Priority date: 2004-11-17
Filing date: 2004-11-17
Publication date: 2005-04-06

Abstract

一种功能纳米短纤维的制备，主要利用静电纺丝技术，在高压电场下将聚合物溶液迅速拉伸成并转化成固体超细纤维，生成直径在50－1000纳米的纳米纤维，这些纤维被直接收集在水中，并且使用循环水真空泵加速收集，利用真空形成时高速水流所产生的剪切效应，将收集的纳米长纤维迅速剪切成长度为几个毫米的纳米短纤维。在制备纳米纤维时，将催化剂加入纺丝液。利用上述方法制备的醋酸纤维素纳米短纤维与过滤嘴纤维丝束中复合制成香烟过滤嘴。该复合过滤体不仅能有效地提高对亚微米级和纳米级气雾颗粒的过滤效率，同时也大大增加了过滤面积，以有效地降低烟雾中的焦油和其它化学成分的含量。

Description

功能纳米短纤维的制备及其在香烟过滤嘴中的应用

技术领域

本发明涉及功能纳米短纤维材料制备的技术领域，特别是一种功能纳米短纤维的制备及其在香烟过滤嘴中的应用。

背景技术

吸烟会产生大量的有害物质，这些物质不仅危害吸烟者的健康，而且污染周围的环境。一般来说，一支烟可产生大约400到500毫克的烟雾，其中有90％的物质是相对无害的气体成份，如氮气，氧气，二氧化碳和水。而其它约有4.5％的物质(大约22.5毫克)为焦油成份，另外还有1.35％(大约6.7毫克)的小分子化学蒸气。焦油中含有至少三千五百种有机物，而烟雾中小分子成份大约有400到500种。这些物质中，至少有43中物质有明显的致癌作用。此外，烟雾中还有不完全燃烧所产生的一氧化碳和大量的自由基，如氧自由基和氮氧自由基等。它们与体内的蛋白质，DNA和RNA直接反应，对身体造成更大的危害。

为了减少吸烟造成的危害，烟卷的尾部多加上过滤体，其目的在于过滤和吸收焦油和其它有害成份。过滤体是由聚合物纤维丝束组成的多通道过滤层。当烟雾经过过滤层时，其中部份的颗粒被纤维丝束俘获，因而起到过滤作用。但是，由于目前使用的丝束直径多在十几个微米，其比表面积一般小于0.1m²/g，过滤层对亚微米级烟雾颗粒的过滤效果较差，不能有效地过滤烟中的焦油含量。

以往的发明多在过滤层中加入比表面积较大的颗粒材料，以改善对亚微米颗粒的吸附能力。如发明CN1198905A将多孔性的分子筛颗粒加入过滤层，以降低卷烟焦油或气相物质中的有害物质；发明CN1296790A则使用低硅铝比的沸石分子筛和高硅铝比的分子筛，它们与聚丙烯丝束混合，可降低卷烟的焦油量和乙醛、丙烯醛、苯、甲苯含量；发明CN1399923A采用多孔性天然高分子材料β-甲壳素，以吸附香烟中焦油、尼古丁、甲醛、氰化物等有害物质，并对人体有很好的保健作用。最近的研究则倾向于使用比表面积更大的无机纳米材料，如Al₂O₃SiO₂、TiO₂颗粒等，用于减少烟气中焦油、烟碱的生成量。但是，所有这些颗粒型添加剂都存在一个同样的问题：颗粒随气流漂移进入肺部，长期积累会导致矽肺。

日本发明专利JP11057343将棒状短纤维包裹于过滤体。由于棒状短纤维有较大的方面比，它们在过滤层中随气体的流动受到很大的限制。但是由于发明中使用的是直径在微米级的棒状短纤维，它们对亚微米级颗粒的过滤效率有限，对过滤层的比表面积提高不大。

一般来说，纤维状过滤体的过滤效率和纤维直径有很大的关系。只有直径在亚微米或纳米级的纤维，才能有效地过滤亚微米级或纳米级的颗粒。当过滤体同时含有亚微米级和纳米级纤维时，滤层俘获颗粒的范围更广，效率更高。

另一方面，降低烟中的一氧化碳和自由基成份需要具有催化功能的过滤材料。常用方法是在过滤嘴中添加催化剂，其作用在于中和或转化这些活性成份和一氧化碳。如发明GR1003934用金属铷盐将尼古丁转换成无毒的维生素B₃，同时猝灭吸烟所产生的自由基成份；而发明GR1004550则采用叶绿素类化合物来中和香烟产生的自由基；发明CN1252245A用金属卟啉类化合物作为催化剂，以降解苯并芘，并将CO、NO转化为无害的气体。然而，这些方法往往需要一种多孔性的催化剂载体，以固定催化剂，同时保持催化剂层有较大的反应面积。专利中多使用活性碳粒为吸附剂，或者将催化剂固定在直径较大的纤维表面。颗粒型活性碳载体同样存在颗粒泄漏的问题，而用直径较大的纤维载体则会将大多数催化剂包裹于纤维内层，造成催化剂失活和材料浪费。

发明内容

本发明的主要目的在于：提供一种直径在50-1000纳米长度在几个毫米的烟用纳米短纤维，这些烟用纳米短纤维包括没有催化活性的普通纳米短纤维，和能降低烟中活性自由基和一氧化碳含量的具有催化功能的纳米短纤维；同时提供一种迅速，连续生产上述烟用聚合物纳米短纤维的方法。此外，本发明还设计一种在不改变现有过滤嘴生产工艺的前提下，将纳米短纤维复合于现有过滤体的方法。

为达到上述目的，本发明是这样实现的：

一种功能纳米短纤维的制备，主要利用静电纺丝技术，其特征在于：在高压电场下将聚合物溶液迅速拉伸成并转化成固体超细纤维，生成直径在50-1000纳米的纳米纤维，这些纤维被直接收集在水中，并且使用循环水真空泵加速收集，利用真空形成时高速水流所产生的剪切效应，将收集的纳米长纤维迅速剪切成长度为几个毫米的纳米短纤维。

在制备纳米纤维时，将催化剂加入纺丝液。

纺丝液中可以加入血红素，血晶素，叶绿素，金属钼酸盐，金属铷盐作为催化剂。

它们的浓度范围为0.5-2.5％。

一种香烟过滤嘴，包括过滤嘴纤维丝束和上述纳米短纤维，其特征在于：过滤嘴纤维丝束中复合根据上述方法制备的醋酸纤维素纳米短纤维。

过滤嘴纤维丝束和醋酸纤维素纳米短纤维通过湿法进行复合。

藉由上述技术方案，使本发明具有如下优点：

本发明采用一种特殊的纺丝技术(静电纺丝技术，以下称静电纺)来制备直径在几十至几百纳米的聚合物纳米纤维。并利用高速水流产生的剪切效应，将生成的纳米纤维迅速剪切成长度在几个毫米的纳米短纤维。纳米短纤维与现有过滤嘴纤维丝束复合，形成高效能的复合过滤体。该复合过滤体不仅能有效地提高对亚微米级和纳米级气雾颗粒的过滤效率，同时也大大增加了过滤面积，以有效地降低烟雾中的焦油和其它化学成份的含量。加入纳米短纤维的另一个优点是：可以用溶液的方法(湿法)直接与现有过滤嘴丝束混合，由于纳米短纤维有很大的方面比，它们在湿法复合过程中不会因堆积而降低比表面积。

本发明在制备纳米纤维时，将催化剂加入纺丝液，以制备具有催化活性的纳米短纤维。由于纳米纤维有很高的表面积/体积比，大量的催化剂被固定于纤维的表面层。纤维不仅有很高的催化活性，而且节省催化剂的使用量，并简化生产工艺。

整个工艺过程紧凑，操作连续，机械化程度高。含有纳米短纤维的过滤嘴复合体不仅能有效降低烟气中焦油含量，而且能将一氧化碳转化为二氧化碳，并同时猝灭各种活性自由基成份。由于纳米纤维有很高的方面比，它们不会在使用过程中泄漏。此外，纳米纤维有很高的空隙率，它们不仅会影响吸烟阻力。发明使用与现有过滤嘴丝束相同的聚合物材料来制备纳米断纤维，因而不会影响吸烟的口味。

附图说明

图1是管式多喷头电纺丝装置的结构示意图。

图中：

1-高压电源发生器； 2-正电极连接器；

3-聚合物流体输送管； 4-扇形引导区；

5-收集电极； 6-流速调节阀；

7-水抽气泵； 8-循环水槽；

9-过滤网； 10-循环水泵；

11-与纺丝液储槽相连

具体实施方式

本发明在聚合物材料上主要使用烟用醋酸纤维素，二醋酸纤维素和三醋酸纤维素。最好使用烟用二醋酸纤维素。纺丝液用丙酮，丙酮-水或丙酮-二甲基乙酰氨为溶剂，最佳的溶剂体系为丙酮-水(体积比为80∶20)。纺丝液中醋酸纤维素的浓度在4-16％，最佳浓度范围为8-12％。纺丝液中可以加入血红素，血晶素，金属钼酸盐，金属铷盐等催化剂，最佳催化剂为血红素，浓度范围为0.5-2.5％。

静电纺丝过程中，使用一种管式多喷头电纺丝装置(请参阅图1)，将生成的纳米纤维直接沉积于循环水中。纺丝使用电压范围为12KV-32KV，最佳电压范围为18KV-26KV。每个喷头的聚合物流速在5-35毫升/小时，最佳流速范围为15-25毫升/小时。生成的纳米纤维用环形接收电极引导，直接沉积于循环水中。接收电极与喷丝头之间的距离为30-60厘米，最佳距离为40-50厘米。为了加速纳米纤维的沉积，并同时将纳米纤维剪切成纳米短纤维，收集过程中用水真空泵加速，真空管与接收电极直接相连，并用扇形漏斗引导以扩大收集范围。收集得到纳米纤维在经过水真空泵时受到高速水流的剪切，流速范围为100-1000毫升/分钟，最佳流速范围为300-600毫升/分钟。形成的短纤维浓度达到10-30％时，即可用过滤方法收集浓缩，或者直接用于与过滤嘴纤维丝束混合。

本发明主要解决纳米纤维在香烟过滤嘴使用中的三个关键问题：

1、纳米短纤维的制备：将电纺丝生成的纳米短纤维直接收集于真空水循环系统，利用真空形成时所产生的高速水流将较长的纳米纤维直接剪切成长度在几个毫米的纳米断纤维。

2、纳米短纤维的功能化：在电纺丝制备过程中，将各种催化剂直接加入纺丝液，用上述同样的方法制备具有催化功能的纳米短纤维。

3、纳米断纤维与过滤嘴用纤维丝束的复合：将含有纳米短纤维的悬浮液用湿法直接喷涂于过滤嘴纤维丝束中，形成复合过滤体。复合过程不影响现有的过滤嘴生成工艺。

Claims

1、一种功能纳米短纤维的制备，主要利用静电纺丝技术，其特征在于：在高压电场下将聚合物溶液迅速拉伸成并转化成固体超细纤维，生成直径在50-1000纳米的纳米纤维被直接收集在水中，并同时使用循环水真空泵加速收集，利用真空形成时高速水流所产生的剪切效应，将收集的纳米长纤维迅速剪切成长度为几个毫米的纳米短纤维。

2、根据权利要求1所述的功能纳米短纤维的制备，其特征在于：在制备纳米纤维时，将催化剂加入纺丝液。

3、根据权利要求2所述的功能纳米短纤维的制备，其特征在于：纺丝液中可以加入血红素，血晶素，叶绿素，金属钼酸盐，金属铷盐作为催化剂。

4、根据权利要求3所述的功能纳米短纤维的制备，其特征在于：催化剂为血红素，浓度范围为0.5-2.5％。

5、一种香烟过滤嘴，包括过滤嘴纤维丝束，其特征在于：过滤嘴纤维丝束中复合根据权利要求1或2或3或4所制备的醋酸纤维素纳米短纤维。

6、根据权利要求5所述的香烟过滤嘴，其特征在于：过滤嘴纤维丝束和醋酸纤维素纳米短纤维通过湿法进行复合。