一种具有烟气减害功能的气凝胶颗粒制备方法及在卷烟滤嘴中的应用与流程

本发明涉及卷烟材料制备技术领域，具体涉及一种具有烟气减害功能的气凝胶颗粒的制备方法及在卷烟滤嘴中的应用。

背景技术：

吸烟与健康问题是世界范围的重要课题。目前全球约有11亿吸烟者，其中中国大约有3亿多烟民。由于吸烟消费者众多，全面禁烟无法实现，降低卷烟烟气对人体的危害性就成为缓解吸烟与健康问题的有效途径。近年来，为降低卷烟危害性，更好地保护吸烟消费者的健康,科研工作者已在卷烟减害领域展开了广泛的研究。其中，在滤嘴中添加功能性烟气减害材料是重要的研究方向，它可以降低卷烟消费者吸入烟气的危害性。由于卷烟是口触、吸食类产品，滤嘴添加材料的安全性至关重要，在此背景下，生物质材料作为添加材料是首要选择。但由于生物质材料普遍存在比表面积低、吸附烟气有害物质性能差的缺陷，作为烟气减害功能材料在卷烟滤嘴中应用的极少。目前，烟气减害效果较好的大多局限于矿物质材料、金属或非金属及其氧化物材料以及这些物质的纳米化材料等。但这些材料很多因存在安全隐患等缺陷，严重制约了其在卷烟中的应用。以生物质材料为基质，通过微结构和表面性质的调变，提高材料的比表面积和烟气有害物质吸附性能，或许是解决以上问题的有效途径。由于气凝胶具有高孔隙率、大比表面的特点，将生物质材料制成气凝胶应用于卷烟滤嘴后，有望对烟气有害成分形成有效吸附。CN105601983A公开了一种天然多糖气凝胶、其制备方法及在卷烟中的应用。公开了以海藻酸钠、葛根纤维、甘蔗纤维、烟梗纤维、辣木纤维、多聚半乳糖醛酸、微晶纤维素、羧甲基纤维素、淀粉、壳聚糖或透明质酸作为基材，制备气凝胶的方法。但该方法是以使用戊二醛等交联剂作为形成凝胶的必要条件，制备程序繁琐，而且应用于卷烟滤嘴后会对卷烟感官质量造成负面影响。同时，冷冻干燥前采用丙酮等有机溶剂浸泡也为其在卷烟中的应用埋下安全隐患。

本发明是以海藻中提取的琼脂为基质，通过加入去离子水、超声、水浴加热、搅拌、冷冻干燥，得到高比表面、多孔的琼脂气凝胶，为提高琼脂凝胶的强度和硬度，以便于在卷烟滤嘴中添加，同时进一步提高琼脂凝胶的比表面积以增加其吸附性能，在琼脂凝胶制备过程中加入纳米SiO₂，纳米SiO₂最终镶嵌于琼脂凝胶的网路结构中，形成琼脂-纳米SiO₂复合气凝胶。将所得琼脂-纳米SiO₂复合气凝胶制备成20-50目的颗粒，应用于卷烟滤嘴中，降低烟气有害成分释放量，且对卷烟感官质量无负面影响。

技术实现要素：

本发明的目的旨在针对降低抽吸卷烟对人体健康的危害性，提供一种具有烟气减害功能的气凝胶多孔颗粒的制备方法。

本发明通过以下实施方式实现。

除非另有说明，本发明所采用的百分数均为重量百分数。

一种具有烟气减害功能的气凝胶颗粒制备方法，包括如下步骤：将琼脂粉和纳米SiO₂粉体按一定比例加入到去离子水中，超声分散，形成混合液，然后将混合液放入水浴锅中加热搅拌，得到均一溶液。溶液自然冷却后形成凝胶，将凝胶冷冻干燥处理，得到气凝胶，破碎并过筛，得到琼脂-纳米SiO₂复合气凝胶颗粒。

本发明制备方法的优选技术方案为：

(1)称取琼脂粉和纳米SiO₂粉共计100份，其中琼脂粉的比例为20％～100％，混合均匀，形成琼脂-纳米SiO₂混合粉；

(2)在所述琼脂-纳米SiO₂混合粉中加入5000份去离子水，超声分散10min，形成混合液；

(3)所述混合液放入95℃水浴锅中加热10min，同时进行搅拌，形成均一溶液；

(4)溶液自然冷却后，得到凝胶,放入冷冻干燥器中干燥处理24小时，得到气凝胶；

(5)所述气凝胶破碎并过筛，得到20～50目琼脂-纳米SiO₂复合气凝胶颗粒。

纳米SiO₂的BET比表面积优选为比表面积≥400m²/g。

本发明的目的还在于提供上述琼脂-纳米SiO₂复合气凝胶颗粒在卷烟中的应用。

本发明同时提供了一种琼脂-纳米SiO₂复合气凝胶颗粒在卷烟滤嘴中的应用。可以在滤棒成型过程中，向两截沟槽醋纤滤芯之间预留的空腔中添加80mg-100mg，优选80mg的琼脂-纳米SiO₂复合气凝胶颗粒，制得沟槽滤棒-颗粒-沟槽滤棒三元复合滤棒。

也可以将琼脂-纳米SiO₂复合气凝胶颗粒散洒到卷烟滤棒的丝束上，制得加载琼脂-纳米SiO₂复合气凝胶颗粒醋纤滤棒；再将加载琼脂-纳米SiO₂复合气凝胶颗粒醋纤滤棒与常规醋纤滤棒进行相接，制得二元复合滤棒。将琼脂-纳米SiO₂复合气凝胶颗粒散洒到卷烟滤棒丝束上时，优选在醋纤滤棒成型过程中，将所述琼脂-纳米SiO₂复合气凝胶颗粒按10～25mg/10mm丝束的添加量均匀地散洒在滤棒丝束上。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、气凝胶制备过程不需要交联剂，通过溶液冷凝形成三维结构，突破了气凝胶制备的常规技术，简化了气凝胶制备流程，也避免了给卷烟感官质量带来负面影响；

2、整个制备不采用有机溶剂，降低环境污染，也进一步避免了给卷烟感官质量带来负面影响；

3、琼脂形成网络结构，纳米SiO₂镶嵌在网络上，既是体相材料，又具有纳米材料的性能，可以增加吸附速度和吸附容量。

4、本发明以二元、三元复合嘴棒为载体，添加琼脂-纳米SiO₂复合气凝胶颗粒，能有效降低烟气中巴豆醛等有害成分的含量。

附图说明

图1为本发明琼脂气凝胶颗粒的扫描电镜(SEM)照片；

图2为本发明琼脂-纳米SiO₂复合气凝胶颗粒的扫描电镜(SEM)照片；

图3为将本发明的琼脂-纳米SiO₂复合气凝胶颗粒应用于沟槽滤棒-颗粒-沟槽滤棒三元复合滤棒的结构示意图；

图中1.滤芯：1a.、1c.沟槽醋纤滤芯，1b.琼脂-纳米SiO₂复合气凝胶颗粒；2.内包裹层；3.外包裹层。

图4为将本发明的琼脂-纳米SiO₂复合气凝胶颗粒应用于二元复合滤棒时的结构示意图；

图中1-滤芯；1a.普通醋纤滤棒滤芯；1b.琼脂-纳米SiO₂复合气凝胶颗粒/醋纤复合滤棒滤芯；2-内包裹层；3-外包裹层。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明的技术方案作进一步说明。此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，而不应当看作是对本发明的限定。

实施例1

称取琼脂粉100份，在所述琼脂粉加中入5000份去离子水，超声分散10min，形成混合液；所述混合液放入95℃水浴锅中加热10min，同时进行搅拌，形成均一溶液；溶液自然冷却后，得到凝胶,放入冷冻干燥器中干燥处理24小时，得到气凝胶；所述气凝胶破碎并过筛，得到20～50目琼脂气凝胶颗粒，凝胶颗粒的扫描电镜(SEM)照片如图1所示。利用所述气凝胶颗粒进行烟气有害成分巴豆醛的吸附性能测试，测试结果见表1(烟气有害成分以巴豆醛为例)。

实施例2

称取琼脂粉和纳米SiO₂粉共计100份，其中琼脂粉的比例为80％，混合均匀，形成琼脂-纳米SiO₂混合粉；在所述琼脂-纳米SiO₂粉加中入5000份去离子水，超声分散10min，形成混合液；所述混合液放入95℃水浴锅中加热10min，同时进行搅拌，形成均一溶液；溶液自然冷却后，得到凝胶,放入冷冻干燥器中干燥处理24小时，得到气凝胶；所述气凝胶破碎并过筛，得到20～50目琼脂-纳米SiO₂复合气凝胶颗粒。利用所述琼脂-纳米SiO₂复合气凝胶颗粒进行烟气有害成分巴豆醛的吸附性能测试，测试结果见表1(烟气有害成分以巴豆醛为例)。

实施例3

称取琼脂粉和纳米SiO₂粉共计100份，其中琼脂粉的比例为60％，混合均匀，形成琼脂-纳米SiO₂混合粉；在所述琼脂-纳米SiO₂粉加中入5000份去离子水，超声分散10min，形成混合液；所述混合液放入95℃水浴锅中加热10min，同时进行搅拌，形成均一溶液；溶液自然冷却后，得到凝胶,放入冷冻干燥器中干燥处理24小时，得到气凝胶；所述气凝胶破碎并过筛，得到20～50目琼脂-纳米SiO₂复合气凝胶颗粒，凝胶颗粒的扫描电镜(SEM)照片如图2所示。利用所述琼脂-纳米SiO₂复合气凝胶颗粒进行烟气有害成分巴豆醛的吸附性能测试，测试结果见表1(烟气有害成分以巴豆醛为例)。

实施例4

称取琼脂粉和纳米SiO₂粉共计100份，其中琼脂粉的比例为40％，混合均匀，形成琼脂-纳米SiO₂混合粉；在所述琼脂-纳米SiO₂粉加中入5000份去离子水，超声分散10min，形成混合液；所述混合液放入95℃水浴锅中加热10min，同时进行搅拌，形成均一溶液；溶液自然冷却后，得到凝胶,放入冷冻干燥器中干燥处理24小时，得到气凝胶；所述气凝胶破碎并过筛，得到20～50目琼脂-纳米SiO₂复合气凝胶颗粒。利用所述琼脂-纳米SiO₂复合气凝胶颗粒进行烟气有害成分巴豆醛的吸附性能测试，测试结果见表1(烟气有害成分以巴豆醛为例)。

实施例5

称取琼脂粉和纳米SiO₂粉共计100份，其中琼脂粉的比例为20％，混合均匀，形成琼脂-纳米SiO₂混合粉；在所述琼脂-纳米SiO₂粉加中入5000份去离子水，超声分散10min，形成混合液；所述混合液放入95℃水浴锅中加热10min，同时进行搅拌，形成均一溶液；溶液自然冷却后，得到凝胶,放入冷冻干燥器中干燥处理24小时，得到气凝胶；所述气凝胶破碎并过筛，得到20～50目琼脂-纳米SiO₂复合气凝胶颗粒。利用所述琼脂-纳米SiO₂复合气凝胶颗粒进行烟气有害成分巴豆醛的吸附性能测试，测试结果见表1(烟气有害成分以巴豆醛为例)。

表1琼脂-纳米SiO₂复合气凝胶颗粒对烟气中有害成分巴豆醛的吸附结果

应用实施例1

应用本发明的琼脂-纳米SiO₂复合气凝胶颗粒，通过滤棒成型设备和颗粒喂料设备，在每两截沟槽醋纤滤芯之间预留的6mm空腔中添加80mg琼脂-纳米SiO₂复合气凝胶颗粒，制备成沟槽滤棒-颗粒-沟槽滤棒三元复合滤棒，滤棒一切四卷制烟支，每支卷烟的三元复合滤嘴中琼脂-纳米SiO₂复合气凝胶颗粒的添加量为80mg，滤棒的结构如图3所示。

应用实施例2

应用本发明的琼脂-纳米SiO₂复合气凝胶颗粒，利用滤棒成型过程中的颗粒喂料设备生产加载琼脂-纳米SiO₂复合气凝胶颗粒的醋纤滤棒，然后通过滤棒复合设备将该滤棒与普通醋纤滤棒相接为二元复合滤棒，滤棒一切四卷制烟支，每支卷烟的二元复合滤嘴中琼脂-纳米SiO₂复合气凝胶颗粒的添加量为20mg，滤棒的结构如图4所示。