一種降低煙氣中苯酚含量的納米纖維復(fù)合紙及其制備方法和應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及卷煙技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種降低煙氣中苯酚含量的納米纖維復(fù)合紙 及其制備方法和應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著人們對吸煙影響健康問題的日益關(guān)注，卷煙產(chǎn)品的降焦減害技術(shù)研究已經(jīng)引 起煙草行業(yè)的高度重視。針對卷煙煙氣中的各種有害成分，研究者發(fā)展了多種降害技術(shù)，例 如，接裝濾嘴、應(yīng)用濾嘴通風(fēng)稀釋技術(shù)、使用高透氣度和靜燃速率快的卷煙紙、摻用膨脹煙 絲和膨脹梗絲等方法。
[0003] 現(xiàn)有的降害技術(shù)中，對卷煙濾嘴進(jìn)行改性是最常用且最有效的降害手段之一，通 過在卷煙濾嘴中添加或復(fù)合生物材料、高分子材料和納米材料等，達(dá)到有效降低卷煙煙氣 中有害成分的效果。
[0004] 卷煙的煙氣成分十分復(fù)雜，苯酚是煙氣中的主要有害物質(zhì)的一種，可經(jīng)皮膚粘膜、 呼吸道及消化道進(jìn)入人體，引起蓄積性慢性中毒或急性中毒等癥狀，因此，苯酚被列為卷煙 煙氣有害物質(zhì)的指標(biāo)性化合物之一，需進(jìn)行嚴(yán)格監(jiān)測和控制。
[0005][0006] 電紡絲（electrospinning)，又稱靜電紡絲（electrostaticspinning)，是一種利 用聚合物溶液或熔體在強電場作用下形成噴射流進(jìn)行紡絲加工的工藝。近年來，電紡絲作 為一種可制備超精細(xì)纖維的新型加工方法，引起了人們的廣泛關(guān)注。理論上，任何可溶解或 熔融的高分子材料均可進(jìn)行電紡絲加工。公開號為CN 103625090A的發(fā)明專利文獻(xiàn)公開了 一種基于靜電紡絲制備的納米纖維膜改性紙，將該改性紙用于煙用過濾嘴中，能夠有效降 低焦油含量，但對苯酚沒有降低效果。同時，該專利文獻(xiàn)所采用的傳統(tǒng)噴絲頭的靜電紡絲技 術(shù)，易堵孔，效率低，紙上復(fù)合的納米纖維量最大僅為0. 8g/m2,無法體現(xiàn)出纖維材料的特性 和納米纖維高比表面積的優(yōu)勢。
[0007] 因此，急需開發(fā)一種具備高效吸附能力的納米纖維材料，達(dá)到除酚減害的效果。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明提供了一種降低煙氣中苯酚含量的納米纖維復(fù)合紙，該納米纖維復(fù)合紙吸 附能力強，用于卷煙濾嘴中，能夠達(dá)到良好的除酚減害效果。
[0009] -種降低煙氣中苯酚含量的納米纖維復(fù)合紙，包括紙質(zhì)基材以及沉積在紙質(zhì)基材 表面的納米纖維，所述納米纖維的直徑為20~500nm，所述納米纖維由環(huán)糊精修飾的醋酸 纖維素經(jīng)靜電紡絲而成。
[0010] 所述納米纖維具有高比表面積，對卷煙煙氣中的苯酚以及焦油都能夠有效吸附， 尤其是對苯酚具有很高的吸附作用。為了達(dá)到更好的吸附效果，優(yōu)選地，所述納米纖維的直 徑為50~400nm。進(jìn)一步優(yōu)選，所述納米纖維的直徑為200~400nm。
[0011] 紙質(zhì)基材上納米纖維的沉積量可以根據(jù)需要進(jìn)行選擇，并無特殊限制。
[0012] 本發(fā)明還提供了一種所述的納米纖維復(fù)合紙的制備方法，包括以下步驟：
[0013] (1)利用異氰酸酯對醋酸纖維素進(jìn)行活化，活化后的醋酸纖維素與環(huán)糊精進(jìn)行接 枝共聚，得到環(huán)糊精修飾的醋酸纖維素；
[0014] (2)采用紙質(zhì)基材，對含有環(huán)糊精修飾的醋酸纖維素的紡絲液進(jìn)行靜電紡絲，得到 所述的納米纖維復(fù)合紙。
[0015] 所述的醋酸纖維素為一醋酸纖維素、二醋酸纖維素、三醋酸纖維素中的至少一種。
[0016] 所述的異氰酸酯為甲苯二異氰酸酯、二苯基甲烷二異氰酸酯、六亞甲基二異氰酸 酯中的至少一種。
[0017] 所述環(huán)糊精為α -環(huán)糊精、β -環(huán)糊精、γ -環(huán)糊精中的至少一種。
[0018] 步驟（1)中，利用異氰酸酯對醋酸纖維素進(jìn)行活化的具體操作為：
[0019] 將醋酸纖維素以及異氰酸酯溶于二甲基甲酰胺中，在25~50°C條件下，反應(yīng) 0. 5~2. 0h，得到活化后的醋酸纖維素。
[0020] 作為優(yōu)選，醋酸纖維素和異氰酸酯的質(zhì)量比為2~4:1~2。在醋酸纖維素上引入 異氰酸酯，利用異氰酸酯與環(huán)糊精進(jìn)行共聚反應(yīng)，得到環(huán)糊精修飾的醋酸纖維素。
[0021] 醋酸纖維素上引入的異氰酸酯基團的數(shù)量應(yīng)適當(dāng)，異氰酸酯基團的數(shù)量在一定程 度上決定了在醋酸纖維素上接枝的環(huán)糊精的數(shù)量，而環(huán)糊精的接枝數(shù)量對最終得到的納米 纖維的尺寸以及吸附性能都有影響。優(yōu)選地，醋酸纖維素和異氰酸酯的質(zhì)量比為1~2:1。
[0022] 作為優(yōu)選，醋酸纖維素和環(huán)糊精的質(zhì)量比為10~20:3~15。在醋酸纖維素上接 枝適當(dāng)數(shù)量的環(huán)糊精，有利于形成的納米纖維對苯酚具有高效的吸附作用。優(yōu)選地，醋酸纖 維素和環(huán)糊精的質(zhì)量比為1~6:1。進(jìn)一步優(yōu)選，醋酸纖維素和環(huán)糊精的質(zhì)量比為2~4:1。
[0023] 二甲基甲酰胺作為溶劑，用量并無嚴(yán)格限制，以能夠完全溶解所加入的醋酸纖維 素和異氰酸酯為宜，優(yōu)選地，每IOOmL二甲基甲酰胺中溶解5~IOg醋酸纖維素。
[0024] 步驟（1)中，活化后的醋酸纖維素與環(huán)糊精進(jìn)行接枝共聚的具體操作為：
[0025] 將環(huán)糊精、活化后的醋酸纖維素以及催化劑混合，在30~90°C條件下，反應(yīng)0. 5~ 1. 5h，得到環(huán)糊精修飾的醋酸纖維素。
[0026] 作為優(yōu)選，所述催化劑為醋酸鉀或二丁基二月桂酸錫中的一種。
[0027] 為了保證接枝聚合反應(yīng)的順利進(jìn)行，優(yōu)選地，醋酸纖維素與催化劑的質(zhì)量比為 10~20:0. 001~0. 1。優(yōu)選地，醋酸纖維素與催化劑的質(zhì)量比為15:0. 001~0. 1。
[0028] 作為優(yōu)選，所述靜電紡絲的電壓為5~30kV，接收距離（鋼絲和紙質(zhì)基材之間的距 離）為5~20cm，紙質(zhì)基材的卷繞速率為50~400m/min。
[0029] 含有環(huán)糊精修飾的醋酸纖維素的紡絲液由環(huán)糊精修飾的醋酸纖維素、纖維素、添 加劑和溶劑組成，環(huán)糊精修飾的醋酸纖維素、纖維素、添加劑和溶劑的質(zhì)量比為〇. 005~ 0· 05 :0· 01 ~0· 2 :0· 001 ~0· 01 :1 ~2。
[0030] 所述添加劑為乙二醇、丙三醇、季戊四醇、二醋酸甘油酯、三醋酸甘油酯、甘油三油 酸酯、甘油軟脂酸酯、甘油硬脂酸酯中的至少一種。
[0031] 所述溶劑為丙酮、N，N-二甲基甲酰胺中的至少一種。
[0032] 紡絲液的各組分具有合適的配比，能夠保證紡絲液具有良好的可紡性能，同時使 紡出的納米纖維具有合適的直徑，以及較大的比表面積，對卷煙煙氣中的苯酚以及焦油等 有害物質(zhì)的吸附能力更強。
[0033] 本發(fā)明提供的納米纖維復(fù)合紙的制備方法綠色環(huán)保，安全可控，適于規(guī)?；a(chǎn)。
[0034] 本發(fā)明還提供了一種卷煙濾棒，由所述的納米纖維復(fù)合紙制備而成。
[0035] 本發(fā)明提供的卷煙濾嘴能夠?qū)頍煙煔庵械谋椒右约敖褂偷扔泻ξ镔|(zhì)進(jìn)行有效 的去除，降低卷煙主流煙氣中苯酚的釋放量。
[0036] 本發(fā)明利用靜電紡絲技術(shù)將環(huán)糊精修飾的醋酸纖維素沉積在紙質(zhì)基材的表面，環(huán) 糊精修飾的醋酸纖維素在紙質(zhì)基材表面形成納米纖維，得到納米纖維復(fù)合紙，納米纖維具 有較大的比表面積，能夠更好地吸附卷煙煙氣中的苯酚，同時，環(huán)糊精對于卷煙煙氣中的苯 酚也具有很好的吸附作用，有效降低卷煙煙氣中的苯酚含量。本發(fā)明提供的濾棒制備的卷 煙與市售卷煙相比，可使卷煙煙氣中的苯酚含量降低13~24%。
[0037] 本發(fā)明采用無針頭靜電紡絲技術(shù)，實現(xiàn)了紡絲過程的連續(xù)化、快速化，適合規(guī)?；?生產(chǎn)；通過調(diào)整醋酸纖維素上接枝環(huán)糊精的含量，以及紡絲液中各組分的用量比，能夠調(diào)控 納米纖維的尺寸，進(jìn)而調(diào)整對卷煙煙氣中苯酚的吸附量。
[0038] 本發(fā)明所使用的原料價廉易得，制備方法綠色環(huán)保、安全可控，具有良好的工業(yè)實 用性。
【附圖說明】
[0039] 圖1為本發(fā)明實施例8制備得到的納米纖維復(fù)合紙的SM圖。
【具體實施方式】
[0040] 下面給出本發(fā)明的實施例，但本發(fā)明不受實施例的限制。
[0041] 實施例1
[0042] 將IOg -醋酸纖維素和IOg甲苯二異氰酸酯溶解于200mL二甲基甲酰胺中，在 25°C下反應(yīng)0. 5h，得到反應(yīng)液；將15ga環(huán)糊精和0.1 g醋酸鉀催化劑加入到反應(yīng)液中繼續(xù) 在30°C下反應(yīng)0. 5h，得到環(huán)糊精修飾的醋酸纖維素。
[0043] 將質(zhì)量比為0. 05 :0. 2 :0. 01 :2的環(huán)糊精修飾的醋酸纖維素、二醋酸纖維素、乙二 醇和丙酮配置成均勻紡絲液，將紡絲液置于無針頭式靜電紡絲機的載液槽中，在5kV電壓 下靜電紡絲，調(diào)節(jié)鋼絲和纖維素紙基材間距離（即接收距離）為5cm，纖維素紙基材的卷繞 速率為50m/min，納米纖維沉積在纖維素紙表面，得到納米纖維復(fù)合紙，納米纖維復(fù)合紙上 的納米纖維的直徑為20nm。
[0044] 將得到的納米纖維復(fù)合紙應(yīng)用于卷煙通風(fēng)溝槽濾棒的制備，并進(jìn)一步卷制成試樣 煙，將卷制的試樣煙采用CeruleanSM450型吸煙機按照IS03308、YC/T255-2008規(guī)定進(jìn)行卷 煙抽吸實驗，測定計算主流煙氣中苯酚的釋放量，并與該規(guī)格的市售卷煙相對照，結(jié)果見表 1〇
[0045] 實施例2
[0046] 將20g二醋酸纖維素和5g二苯基甲烷二異氰酸酯溶解于200mL二甲基甲酰胺中， 在50°C下反應(yīng)2. 0h，得到反應(yīng)液；將3gi3環(huán)糊精和0.0 Olg二丁基二月桂酸錫加入到反應(yīng) 液中，繼續(xù)在90°C下反應(yīng)I. 5h，得到環(huán)糊精修飾的醋酸纖維素。
[0047] 將質(zhì)量比為0. 005 :0. 01 :0. 001 :1的環(huán)糊精修飾的醋酸纖維素、三醋酸纖維素、三 醋酸甘油酯和N，N-二甲基甲酰胺配置成均勻紡絲液，將紡絲液置于無針頭式靜電紡絲機 的載液槽中，在30kV電壓下靜電紡絲，調(diào)節(jié)鋼絲和纖維素紙基材間距離為20cm，纖維素紙 基材的卷繞速率為400m/min，納米纖維沉積在纖維素紙表面，得到納米纖維復(fù)合紙，納米纖 維復(fù)合紙上的納米纖維的直徑為500nm。
[0048] 將得到的納米纖維復(fù)合紙應(yīng)用于卷煙通風(fēng)溝槽濾棒的制備，并進(jìn)一步卷制成試樣 煙，將卷制的試樣煙采用CeruleanSM450型吸煙機按照IS03308、YC/T255-2008規(guī)定進(jìn)行卷 煙抽吸實驗，測定計算主流煙氣中苯酚的釋放量，并與該規(guī)格的市售卷煙相對照，結(jié)果見表 1〇
[0049] 實施例3
[0050] 將15g -醋酸纖維素和5g六亞甲基二異氰酸酯溶解于200mL二甲基甲酰胺中，在 35°C下反應(yīng)I. 5h，得到反應(yīng)液；將IOgP環(huán)糊精和0. 05g醋酸鉀催化劑加入到反應(yīng)液中，繼 續(xù)在50°C