高界面粘附强度纳米纤维复合丝束及其制备方法和应用
【技术领域】
[0001] 本发明涉及卷烟技术领域，具体涉及一种高界面粘附强度纳米纤维复合丝束及其 制备方法和应用。
【背景技术】
[0002] 在卷烟上接装滤嘴是目前卷烟减害降焦技术中最直接有效的手段，滤嘴能吸附卷 烟烟气中的部分有害成分，如截留卷烟主流烟气中的总粒相物、降低焦油含量、吸附有害物 质，从而减少对人体的危害。
[0003] 目前普遍使用的滤嘴是由醋酸纤维素丝束或聚丙烯丝束制备而成的，这些丝束的 截面尺寸一般为数十微米，通过引入纳米粒子、增加粗糙度等方法可以进一步提高滤嘴的 比表面积，从而增强滤棒吸附有害物质的能力。例如，公开号为CN 101484628A的发明专利 文献公开了一种将纳米管等纳米材料粘附或截留在丝束中的方法，通过这种改性能够提高 丝束吸附有害物质的能力。
[0004] 静电纺丝是一种简单方便的制备纳米纤维的技术，适用的材料范围和应用领域 非常广泛，将纳米纤维引入滤嘴中，可以显著提高比表面积，增强吸附能力。公开号为CN 1603036的发明专利文献公开了一种利用静电纺丝纳米短纤维与现有滤棒丝束直接混合的 方法来增加过滤面积；公开号为CN 102423141的发明专利文献则先制得纳米纤维膜，然后 将其嵌入原有滤嘴和卷烟之间制成复合滤嘴，降低焦油和其他有害物质的含量。最近，公开 号为CN 103628253的发明专利文献将静电纺丝纳米纤维与丝束直接复合，即直接以丝束 作为基底材料，在静电纺丝过程中直接形成纳米纤维复合丝束，再用于滤嘴制作，发现可以 有效降低卷烟主流烟气中的一些有害物质的释放量，且不影响卷烟的吸食品质。
[0005] 利用静电纺丝法直接制备纳米纤维复合丝束具有效率高、可连续生产等优点，十 分合适大规模生产，具有重要的应用前景。但是，在静电纺丝过程中，纳米纤维主要以物理 堆积的方式沉积在丝束表面，复合过程中两者之间缺乏强相互作用力或粘附力。在研究实 践中发现，通过物理堆积形成的纳米纤维复合丝束，其界面粘附强度低，纳米纤维容易脱 落，在制作卷烟滤棒的过程中会产生飘絮物，阻碍生产的连续进行，严重影响滤棒质量。
[0006] 目前还没有如何提高纳米纤维与丝束之间界面粘附强度的文献报道，更没有可供 实际生产应用的技术和工艺。
【发明内容】
[0007] 本发明提供了一种高界面粘附强度纳米纤维复合丝束的制备方法，能够增加纳米 纤维与烟用丝束之间的界面粘附强度，利于滤嘴的稳定生产，同时，高比表面积纳米纤维对 卷烟烟气中的苯酚和4-甲基亚硝胺基-1-(3-吡啶）-1-丁酮（NNK)具有较强的吸附作用。
[0008] -种高界面粘附强度纳米纤维复合丝束的制备方法，包括以下步骤：
[0009] (1)将聚合物、添加剂和溶剂配制成纺丝液；
[0010] 所述聚合物为二醋酸纤维素、三醋酸纤维素、羟乙基纤维素、聚乙烯醇、壳聚糖中 的至少一种； toon] 所述添加剂为乙二醇、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、甘油软脂酸酯、甘油硬脂酸酯中的至少一种；
[0012] (2)以烟用丝束为基材，对步骤（1)所得的纺丝液进行静电纺丝，得到所述的高界 面粘附强度纳米纤维复合丝束。
[0013] 本发明在纺丝液中引入至少一种添加剂，引入的添加剂具有相对较高的粘度和沸 点，在静电纺丝过程中具有相对较慢的挥发速度，能够对纳米纤维和烟用丝束起到良好的 粘结作用，且不会完全溶解纳米纤维或烟用丝束。
[0014] 所述的添加剂在静电纺丝过程中显著增强纳米纤维与烟用丝束的界面粘附强度， 解决了通过物理堆积作用形成的纳米纤维与所附着的烟用丝束之间界面粘附强度低，纳米 纤维容易脱落，在卷烟滤棒制作过程中产生飘絮物的问题。
[0015] 引入的添加剂在提高烟用丝束与纳米纤维界面粘附强度的同时，没有破坏纳米纤 维的结构，赋予纳米纤维复合丝束较高的比表面积，使纳米纤维复合丝束能够有效吸附卷 烟主流烟气中的苯酚和NNK，降低卷烟主流烟气中苯酚和NNK的释放量。
[0016] 优选地，所述溶剂为丙酮、N，N-二甲基甲酰胺、水、乙酸中的至少一种。溶剂的选 择依据聚合物和添加剂的不同而不同，以能够和聚合物以及添加剂形成均相溶液为宜。
[0017] 为了保证纺丝液具有合适的粘度以及可纺性，使得到的纳米纤维具有合适的尺 寸，对苯酚和NNK具有良好的吸附效果，优选地，所述纺丝液中，聚合物与溶剂的质量比为 0. 04~0. 15 :1。进一步优选，聚合物与溶剂的质量比为0. 08~0. 15 :1。
[0018] 添加剂用于改善纳米纤维和烟用丝束的界面粘附强度，如果添加量过多，会对纳 米纤维的性能造成影响，优选地，所述纺丝液中，添加剂与聚合物的质量比为0. 5~2 :1。进 一步优选，添加剂与聚合物的质量比为〇. 5~1 :1。
[0019] 本发明中烟用丝束采用醋酸纤维素丝束，采用无针头式静电纺丝技术制备纳米纤 维，通过载液槽的往复移动使纺丝电极铁丝表面涂覆一薄层纺丝液，当施加电压超过临界 值后，纺丝电极铁丝表面的纺丝液首先形成许许多多的泰勒锥，然后被拉伸成很多束射流， 再经鞭动，形成纳米纤维。
[0020] 步骤（2)进行静电纺丝时，将纺丝液置于无针头式静电纺丝机的载液槽中，调节 纺丝电极铁丝与烟用丝束之间的距离（即接收距离）、纺丝电压以及烟用丝束的卷绕速率， 获得直径在80~500nm的纳米纤维。
[0021] 作为优选，步骤（2)中，纺丝电压为10~50kV，接收距离为5~25cm，烟用丝束的 卷绕速率为50~400m/min。
[0022] 进一步优选，步骤（2)中，纺丝电压为35~50kV，接收距离为15~25cm，烟用丝 束的卷绕速率为50~200m/min。
[0023] 丝束在静电纺丝区域复合纳米纤维后，利用红外进行烘干，烘烤时间为1~60s， 以去除残留的添加剂。
[0024] 本发明提供的高界面粘附强度纳米纤维复合丝束的制备方法简单，适合连续生 产，能够保证进一步加工得到的卷烟滤嘴的质量。采用无针头式静电纺丝技术生产效率高， 不会产生堵塞针头的问题，维护方便，封闭式的移动载液槽能够保证纺丝液浓度的恒定，可 以长时间稳定纺丝，有利于进行连续化的大规模生产。
[0025] 本发明还提供了一种利用所述的制备方法得到的高界面粘附强度纳米纤维复合 丝束，所述高界面粘附强度纳米纤维复合丝束包括烟用丝束以及沉积在烟用丝束表面的纳 米纤维，所述纳米纤维的直径为80~500nm。
[0026] 为了对卷烟主流烟气中的苯酚以及NNK具有更好的去除效果，优选地，所述纳米 纤维的直径为100~350nm〇
[0027] 本发明提供的高界面粘附强度纳米纤维复合丝束在制备卷烟滤棒的过程中，不会 形成飘絮物，能够更加有效地保持纳米纤维的形态以及高比表面积，增强对主流烟气中苯 酚和NNK的吸附效果。
[0028] 烟用丝束上沉积适量的纳米纤维，以保证对苯酚和NNK的去除效果，优选地，所述 纳米纤维与烟用丝束的质量比为0. 002~0. 08 :1。
[0029] 进一步优选，所述纳米纤维与烟用丝束的质量比为0. 05~0. 08 :1。
[0030] 本发明还提供了一种卷烟滤嘴，由所述的高界面粘附强度纳米纤维复合丝束与卷 烟纸卷制而成。
[0031] 使用所述的高界面粘附强度纳米纤维复合丝束制备得到的卷烟滤嘴，能够有效降 低卷烟主流烟气中苯酚和NNK的释放量，苯酚的释放量降低16~30%，NNK的释放量降低 12 ~36%〇
【附图说明】
[0032] 图1为市售卷烟滤嘴使用的普通醋酸纤维素丝束的电镜照片；
[0033] 图2为对比例1中纳米纤维复合丝束的电镜照片；
[0034] 图3为实施例1中高界面粘附强度纳米纤维复合丝束的电镜照片。
【具体实施方式】
[0035] 通过以下实施例对本发明做更详细的描述，但所述实施例不构成对本发明的限 制。
[0036] 对比例1
[0037] 将Sg二醋酸纤维素和100g丙酮配置成均匀纺丝液，将纺丝液置于无针头式静 电纺丝机的载液槽中，调节纺丝电极铁丝与烟用丝束之间的距离为15cm，调节纺丝电压为 32kV ;将烟用丝束开松至幅宽25cm，设定烟用丝束输送速率为100m/min。
[0038] 开启静电纺丝机电源至设定电压，纺丝液形成直径为110±30nm的纳米纤维，并 沉积在连续运动的开松后的烟用丝束表面，形成纳米纤维复合丝束；连续运动的纳米纤维 复合丝束经过静电纺丝区域后，进入红外灯烘烤区域，烘烤5s，即制得纳米纤维复合丝束， 其中纳米纤维与烟用丝束的质量比为0.020 :1，典型电镜照片见图2。将所制得的纳米