一种改性的聚乳酸烟用丝束和滤棒及其制备方法

专利名称：一种改性的聚乳酸烟用丝束和滤棒及其制备方法
技术领域：
本发明属于香烟过滤嘴材料及其制备技术领域，具体涉及一种改性的聚乳酸烟用丝束和滤棒及其制备方法。
背景技术：
香烟过滤嘴是卷烟的一个重要组成部分。作为烟用过滤嘴材料，除了具有良好的可纺性能，还有很多独特要求:(1)由它卷制而成的滤棒无毒、无味、安全性好；(2)丝束稳定性好，能满足滤棒成型设备和工艺要求；(3)具有适宜的刚性和卷曲性能，使之具有良好的弹性和开松性，在较少丝束填充量的情况下，通过添加增塑剂或胶黏剂后，滤棒满足一定的硬度、吸阻和外观质量要求，有较高的出棒率，具有实用价值；(4)卷烟抽吸过程中，滤嘴不塌陷、变形；(5)滤棒对烟气有害成分具有较高的过滤效率。迄今为止，很多纤维已经实现了工业化生产，但真正商品化的香烟过滤嘴材料只有二醋酸纤维素和聚丙烯两个品种。二醋酸纤维素纤维(醋纤)是一种性能优良、应用普遍的过滤嘴材料，它选材于多年生的优质木材，采用干法纺丝的方式，制得适宜于卷烟用的过滤丝束。醋纤分子支链上含有强极性的极性基团，丝束表面具有微孔和粗糙感，所以醋纤丝束对烟气中的有害成分，同时具有物理吸附和化学吸附双重效果，其过滤和吸附性能优异；而且，在生产滤棒的过程中，通过添加三醋酸甘油酯进行增塑、粘结，在较少丝束填充量的情况下，滤棒满足硬度、吸阻等质量要求，有较高的出棒率。但生产二醋酸纤维素的原材料是多年生的优质木材，我国目前不能自给，主要依靠进口，更重要的是，随着国内烟草企业产量的不断扩大，对醋纤滤棒的需求量与日俱增，但目前国内的醋纤丝束生产企业并不能完全满足烟草企业的需求，造成醋纤供应紧张的局面，在一定程度上限制了我国烟草行业的进一步发展。此外，木浆生产、纤维素酯化和醋酸纤维素纺丝伴随较严重的污染问题，生产成本高，价格昂贵，与木材相比，醋酸纤维素的生物降解性能显著劣化。聚丙烯烟用过滤丝束作为我国卷烟行业特有的一种过滤材料，在开发初期具有原材料充足，价格低廉等优点而得到大力发展，并为我国烟草行业降本增效作出了巨大贡献。聚丙烯原料取自石油，采用熔融纺丝的方式，制得的纤维丝束在生产滤棒的过程中，通过添加专用的胶粘剂进行粘结，在较少丝束填充量的情况下，滤棒满足硬度、吸阻等质量要求，有较高的出棒率。但由于聚丙烯是一种结构非常稳定的非极性物质，本身不带有任何极性基团，丝束表面光滑，其吸附能力远不如醋酸纤维，烟气过滤效果差，抽吸时有较强的辛辣味，一般只能用于低档卷烟上；同时，聚丙烯是长链碳氢化合物，不能生物降解，对环境造成严重污染；此外，石油资源 日益枯竭，原料价格上涨快，聚丙烯的价格优势正逐步丧失。近年来，随着烟草行业产品结构的调整，我国香烟档次不断提高，低档卷烟用量逐年下降，丙纤用量逐年降低，并趋向逐步退出市场。无论从资源的角度，还是减少环境污染的角度，寻找一种综合性能接近醋纤，价格又相对低廉的新型烟用丝束，替代聚丙烯材料用于中低档卷烟的生产，并部分替代醋纤用于中高档卷烟的生产，以弥补醋纤供应的不足，是烟草行业急需解决的问题。聚乳酸是一种新型环保材料，具有良好的循环再生性和生物降解性。它以可再生的植物资源(玉米、小麦、甜菜、大米、土豆、山芋等)以及有机废弃物(玉米芯或其他农作物的根、茎、叶、皮等)为原料，摆脱了对木材和石油资源的依赖，符合国际社会可持续发展的要求；聚乳酸的生产能耗低于聚丙烯及二醋酸纤维素等各种纤维，是一种低资源环境负荷的高分子材料；聚乳酸能够完全生物降解，在自然环境中经过一定时间会自然分解为水和二氧化碳，不造成环境污染，产生的二氧化碳通过植物的光合作用得到重新利用，成为一个永恒的、封闭的碳循环系统，是名副其实的“绿色材料”;聚乳酸具有良好的加工性能，可采用熔融纺丝法生产；聚乳酸纤维与醋纤结构相似，分子表面含有丰富的极性基团；对极性物质具有较强的亲合力，可以与焦油组分和低分子物质进行化学反应，反应物牢牢留在纤维表面，同时，丝束表面具有微孔和粗糙感，在对烟气的吸附过程中，同时具有物理吸附和化学吸附双重效果，该丝束生产的滤棒对烟气中的有害物质过滤效果明显。因此，聚乳酸有望成为制备烟用过滤嘴丝束的合适材料。将聚乳酸纤维产品用作烟用过滤材料，具有资源丰富、优异的环保性、良好的吸附性、可靠的安全性、良好的成型加工性及经济性等综合优势；产品的推广应用，对于我国烟草行业拓宽原料渠道、降本增效具有积极的现实意义，将会产生良好的社会经济效益，并将带动我国聚乳酸材料整个产业链的发展。目前国内已有几篇关于聚乳酸烟用丝束的专利，在专利号:200610131699.0《一种香烟过滤嘴丝束及其制备方法》中介绍了聚乳酸树脂原料纺制聚乳酸烟用丝束的工艺和方法；201010127357.8《一种可降解卷烟用丝束及其制备以及滤棒的制备方法》中介绍了一种可降解卷烟用丝束，其原料为含有结晶促进剂的聚左旋丙交酯、聚右旋丙交酯或两者共混物中的任意一种，丝束通过开松、上胶制成滤棒。但上边两篇专利中存在一些问题，在《一种香烟过滤嘴丝束及其制备方法》专利中，所用聚乳酸树脂的右旋乳酸单元的重量百分比为3-7%，结晶度高，所制得丝束无法被烟用滤棒增塑剂三醋酸甘油酯溶胀，因此，需要通过较高的丝束填充量来使滤棒硬度达到要求，导致聚乳酸丝束的出棒率较低，提高了聚乳酸滤棒的成本。在《一种可降解卷烟用丝束及其制备以及滤棒的制备方法》专利中，采用聚乳酸滤棒成型时，采用水性胶黏剂对丝束进行粘结成棒，这就存在三个问题:(I)所用滤棒成型机为施加水性胶黏剂的国产滤棒成型机，成型速度慢；(2)水性胶黏剂中可能含有一些有机挥发化合物，存在安全隐患；(3)滤棒需要在烘箱中进行烘干，增加了聚乳酸滤棒加工工序和成本。

发明内容
本发明的一个目的就是针对上述存在的问题，提供一种改进的聚乳酸烟用丝束，该丝束表面结晶度降低，可采用烟用滤棒增塑剂三醋酸甘油酯进行滤棒成型，在较低的丝束填充量下，使滤棒硬度达到87%以上，具有较高的实用价值。本发明所依据的科学原理在于:通过光学纯度为94-99%，左旋乳酸单元的摩尔比为97%-99.5%的聚乳酸与其他两种左旋乳酸单元摩尔比较低的聚乳酸(光学纯度为50-82%，左旋乳酸单元的摩尔比为75-91%的聚乳酸和光学纯度为0_20%，左旋乳酸单元的摩尔比为40-60%的聚乳酸)进行混合，使聚乳酸丝束中左旋乳酸单元所占的摩尔比大幅下降，从而导致聚乳酸丝束表面的乳酸分子排列规整度下降，引起聚乳酸丝束表面的结晶度有所降低，使三醋酸甘油酯可对丝束表面起到溶胀作用，使该种丝束在滤棒成型时可在较低的丝束填充量下，硬度达到87%以上，提高了丝束的出棒率。该丝束具有良好性价比和实用价值。本发明的目的是通过以下技术方案来实现的:
一种改性的聚乳酸烟用丝束，是由PLA-1、PLA-2和PLA-3三种原料中的至少两种以上经加热熔融混合，经过牵伸、卷曲、烘干定型工序制备而成，三种原料的比例为PLA-1: PLA-2: PLA-3 为 0-80%: 0-90%: 0-90% ；
所述PLA-1:光学纯度为94-99%，左旋乳酸单元的摩尔比为97%_99.5%，重均分子量为5-20万，熔点范围为160-190 °C，在190 °C和2.16Kg负荷下测定的熔体熔融指数在
5-30g/10min，结晶度为 35-55% ；
所述PLA-2:光学纯度为50-82%，左旋乳酸单元的摩尔比为75_91%，重均分子量为5_20万，熔点范围为100-130°C，在190°C和2.16Kg负荷下测定的熔体熔融指数在5_30g/10min，结晶度为2-12% ；
所述PLA-3:光学纯度为0-20%，左旋乳酸单元的摩尔比为40-60%，重均分子量为5_20万，熔点范围为80-120°C，在190°C和2.16Kg负荷下测定的熔体熔融指数在5_30g/10min，结晶度为0-5%。三种原料的比例优选为PLA-1: PLA-2: PLA-3 为 15-80: 15-80: 5-50 改性的聚乳酸烟用丝是通过以下具体方法制备而成: (1)将结PLA-1干燥至水分小于200ppm，干燥温度60 120°C，干燥时间4 8小时，将PLA-2干燥至水分小于200ppm，干燥温度50 60°C，干燥时间8 16小时，同时将PLA-3干燥至水分小于200ppm,干燥温度50 60°C,干燥时间8 16小时；
(2)上述三种聚乳酸树脂加热熔融混合后送入纺丝系统，在190 220°C熔融、过滤，经计量泵定量输入纺丝组件；熔体经喷丝板挤出；喷丝板孔数为8000 15000，喷丝孔外形为三叶(Y)型；
(3)采用工艺空调冷却装置对新纺出的丝束进行冷却成型，冷却风温10 20°C;通过转动的上油轮将油剂(ΤΑΚΕΜ0Τ0 0IL&FAT C0.，LTD公司的DELION牌油剂)涂覆在丝束表面以改善后道可加工性；
(4)在适宜的卷绕速率下对丝束卷绕后暂存于盛丝桶中，卷绕速率控制在300 1500m/min ；
(5)在一定温度的水浴中对丝束进行牵伸，牵伸温度为50 90°C，牵伸倍率为2 3.5
倍;
(6)牵伸后的丝束进入卷曲机进行卷曲，卷曲温度为85 95°C;
(7)卷曲后的丝束烘干定型后得到本发明的聚乳酸烟用丝束，烘干定型温度在60 90°C，烘干定型时间10 15min。一种利用上述聚乳酸烟用丝束制备滤棒的方法如下:将聚乳酸丝束通过YL21、KDF-2、KDF-3或KDF-4等滤棒成型机进行成型，丝束经开松后，施加三醋酸甘油酯作为滤棒增塑剂，增塑剂添加量按重量百分比计为丝束的4-12%wt，制备的滤棒放于常温下即可固化。该聚乳酸滤棒中丝束粘结良好，在较低的丝束填充量下，硬度在87%以上，接装卷烟后与醋纤滤棒卷烟相比，烟气常规成分释放量接近，感官质量有所提高。具体对比检测指标如表1-3:
表1不同丝束成型后的滤棒指标(24.1mmX 120mm)
权利要求
1.一种改性的聚乳酸烟用丝束，其特征在于:是由PLA-1、PLA-2和PLA-3三种原料中的至少两种以上经加热熔融混合，经过牵伸、卷曲、烘干定型工序制备而成，三种原料的比例为 PLA-1: PLA-2: PLA-3 为 0-80%: 0-90%: 0-90% ； 所述PLA-1:光学纯度为94-99%，左旋乳酸单元的摩尔比为97%_99.5%，重均分子量为5-20万，熔点范围为160-190 °C，在190 °C和2.16Kg负荷下测定的熔体熔融指数在5-30g/10min，结晶度为 35-55% ； 所述PLA-2:光学纯度为50-82%，左旋乳酸单元的摩尔比为75_91%，重均分子量为5_20万，熔点范围为100-130°C，在190°C和2.16Kg负荷下测定的熔体熔融指数在5_30g/10min，结晶度为2-12% ； 所述PLA-3:光学纯度为0-20%，左旋乳酸单元的摩尔比为40-60%，重均分子量为5_20万，熔点范围为80-120°C，在190°C和2.16Kg负荷下测定的熔体熔融指数在5_30g/10min，结晶度为0-5%。
2.根据权利要求1 所述的改性的聚乳酸烟用丝束，其特征在于:三种原料的比例为PLA-1: PLA-2: PLA-3 为 15-80: 15—80: 5-50
3.根据权利要求1或2所述的改性的聚乳酸烟用丝束，其特征在于:改性的聚乳酸烟用丝是通过以下具体方法制备而成: (I)将结PLA-1干燥至水分小于200ppm，干燥温度60 120°C，干燥时间4 8小时，将PLA-2干燥至水分小于200ppm，干燥温度50 60°C，干燥时间8 16小时，同时将PLA-3干燥至水分小于200ppm,干燥温度50 60°C,干燥时间8 16小时； 上述三种聚乳酸树脂加热熔融混合后送入纺丝系统，在190 220°C熔融、过滤，经计量泵定量输入纺丝组件；熔体经喷丝板挤出；喷丝板孔数为8000 15000，喷丝孔外形为三叶(Y)型； (3)采用工艺空调冷却装置对新纺出的丝束进行冷却成型，冷却风温10 20°C ;通过转动的上油轮将油剂涂覆在丝束表面以改善后道可加工性； 在适宜的卷绕速率下对丝束卷绕后暂存于盛丝桶中，卷绕速率控制在300 1500m/min ； 在一定温度的水浴中对丝束进行牵伸，牵伸温度为50 90°C，牵伸倍率为2 3.5倍; 牵伸后的丝束进入卷曲机进行卷曲，卷曲温度为85 95°C ; 卷曲后的丝束烘干定型后得到本发明的聚乳酸烟用丝束，烘干定型温度在60 90°C，烘干定型时间10 15min。
4.一种利用权利要求1所述聚乳酸烟用丝束制备滤棒的方法，其特征在于:将聚乳酸丝束通过YL21、KDF-2、KDF-3或KDF-4等滤棒成型机进行成型，丝束经开松后，施加三醋酸甘油酯作为滤棒增塑剂，增塑剂添加量按重量百分比计为丝束的4-12%wt，制备的滤棒放于常温下即可固化。
全文摘要
一种改性的聚乳酸烟用丝束和滤棒及其制备方法，其中改性的聚乳酸烟用丝束是由PLA-1、PLA-2和PLA-3三种原料中的至少两种以上经加热熔融混合，经过牵伸、卷曲、烘干定型工序制备而成；其有益效果是将三种聚乳酸按一定比例进行混合，可使原料中左旋含量下降，丝束表面结晶度降低，丝束表面结构变的疏松、无序，因此该丝束在滤棒成型时施加三醋酸甘油酯增塑剂后，可使丝束粘结且溶胀，在较低的丝束填充量下，硬度达到87%以上，具有实用价值。经分析检测，本发明提供聚乳酸丝束所制滤棒，与醋纤滤棒卷烟相比，烟气常规成分释放量接近，感官质量有所提高。此外，由于聚乳酸具有生物可降解的特点，可减少对环境造成的污染。
文档编号D01D1/04GK103103633SQ20131004881
公开日2013年5月15日 申请日期2013年2月7日 优先权日2013年2月7日
发明者刘惠民, 王晓辉, 赵献忠, 杨松, 孙培健, 聂聪, 包旭东, 王涛, 何映鸣 申请人:中国烟草总公司郑州烟草研究院, 江苏天圣达集团无锡新合纤有限公司, 红塔烟草(集团)有限责任公司