基于静电纺丝制备纳米纤维膜改性纸质基材的方法及纳米纤维膜改性纸质基材的应用

技术领域

本发明涉及一种基于静电纺丝制备纳米纤维膜改性纸质基材的方法及纳米纤维膜改性纸质基材应用，属于烟草滤材领域。 

背景技术

滤棒设计是卷烟降焦减害的关键设计环节，可通过滤嘴构成要素变化、沟槽设计、成形纸设计等有效地实现主流烟气气溶胶中有害物质的吸入量调控，成为目前各卷烟企业实现“降焦减害”的有效途径，也是各企业技术创新的突破口。相对于目前普遍使用的二醋酸纤维滤棒，纯木浆或麻浆纸质滤棒具有明显的降低烟气焦油、价格便宜的优点，并且更加环保，但是，纸质滤棒在卷烟燃吸过程中产生塌陷、烟气发干、有明显纸味等缺点。 

随着世界反烟运动的日益高涨和消费者对吸烟与健康问题关注的普遍增强，烟草行业一直致力于降低卷烟的吸食危害性，因此，新型的纸质滤棒的研究重新受到的人们的关注。中国专利CN101032347公开的方法中，将醋酸纤维浆液与其他纤维的浆液混合共同制造纸质滤棒所需用的纸。这种方法需要的醋酸纤维的量大，不利于降低成本，并且需要特殊改造的成型机才能加工出滤棒。 

电纺丝是利用高压静电的拉伸使聚合物溶液或烧融液形成喷射细流并从喷丝孔喷射而形成聚合物纳米纤维过程。通过改变静电纺丝纳米纤维的组成，可以得到不同物理化学性质的纤维。这可以通过在纺丝液中添加多种组分来实现，每种所添加的组分可以使产品具有一种特定的理想性能；也可以通过从多种原料液纺丝，从而使含不同成分的纤维同时沉积形成敷料，形成的敷料也就包含了不同材料的纤维。静电纺纳米纤维具有特殊的结构与性能，如：形成的纤维重量轻、渗透性好、比表面积大、孔隙率高、内部空隙的连通性 好、容易与纳米级的化学物质或功能性物质相结合等，使其过滤效率较之常规过滤材料大大提高。 

发明内容

本发明的目的是在于提供一种基于静电纺丝制备纳米纤维膜改性纸质基材的方法，该方法简单，可连续工业化生产，制得的纳米纤维膜改性纸质基材具有对烟气中的焦油和苯酚有特殊选择吸附性。 

本发明的另一个目的是在于提供所述纳米纤维膜改性纸质基材的应用，将所述纳米纤维膜改性纸质基材应用于制备能改善卷烟吸食品质、有效降低卷烟主流烟气中焦油和苯酚释放量的纸质卷烟滤棒。 

本发明提供了基于静电纺丝制备纳米纤维膜改性纸质基材的方法，该方法是将聚合物原料溶于溶剂配成纺丝液后，置于储液装置中；调节静电纺丝电压为15～30KV后，将储液装置中的纺丝液通过微量泵连续供给储液装置相连的喷丝头；所述纺丝液通过喷丝头以0.5～4.0mL/h的速度喷向距离喷丝头10～30cm，且连续移动的原纸基体表面形成纳米纤维膜，即得纳米纤维膜改性纸质基材； 

所述的储液装置相连有若干组喷丝头，其中，每组为15～25个喷丝头，一组喷丝头为一个回路，所述喷丝头在各自的回路中匀速转动； 

所述的聚合物原料与溶剂的质量比为3～20:97～80； 

所述的聚合物原料为聚乳酸纤维、醋酸纤维素、羟乙基纤维素、聚氨酯、聚酰胺、壳聚糖、聚己内酯、聚丙烯酸、聚己内酰胺、聚酰亚胺中的一种或几种。 

所述的原纸基体以一定速度连续经过接收装置中。 

所述的溶剂根据聚合物原料的溶解性相应地选择能溶解聚合物原料所需的溶剂。 

所述的溶剂包括乙醇、丙酮、水、甲酸、二氯甲烷、乙酸、三氟乙酸、二甲基甲酰胺、三氟醋酸、三乙醇胺、甲酸中的一种或几种；所述的溶剂在制备静电纺丝纤维过程中挥发，得到纳米纤维。 

所述的纳米纤维膜中纳米纤维直径500nm～1μm。 

所述的纳米纤维膜在纸质基材表面的喷覆量为0.05～0.8g/m²。 

所述的电纺丝装置主要连有喷丝头的储液装置、高压电源、接收装置。 

所述的接收装置的接收基体为纸质滤棒用的原纸；原纸的定量为15～50g/m²； 所述的原纸由植物纤维、人造纤维、化学纤维或它们的改性纤维中的一种或几种制备得到。 

所述的纳米纤维膜改性纸质基材为单面纳米纤维膜改性纸质基材或双面纳米纤维膜改性纸质基材。 

本发明还提供了所述的方法制得的纳米纤维膜改性纸质基材的应用，该应用是将所述纳米纤维膜改性纸质基材应用于制备降低卷烟主流烟气中焦油和苯酚释放量的纸质卷烟滤棒。 

所述纳米纤维膜改性纸质基材经压纹分切成15～30cm宽窄幅后，在滤棒成型机进行成型加工成纸质滤棒；再将纸质滤棒与其它种类的烟用滤棒按照长度比例15/10～10/15制成复合滤嘴。 

本发明的有益效果：本发明首次通过静电纺丝技术将制得的纳米纤维均匀喷覆在原纸基材表面，获得的纳米纤维膜改性纸质基材具有超薄且厚度均匀的纳米纤维膜，而纳米膜具有特殊的孔系结构，对烟气中的焦油和苯酚具有优异的选择性吸附效果，将喷覆了单面或双面纳米纤维膜的改性纸质基材用于制备纸质滤棒，能改善卷烟吸食品质、有效降低卷烟主流烟气中焦油和苯酚释放量。本发明通过选择合适的聚合物原料及合适配比的纺丝液，再结合了本发明制备方法的工艺参数制备出来的纳米纤维直径一般均匀分布在500nm～1μm之间，且纳米纤维综复杂地喷覆在原纸上构筑厚度均匀，并孔隙大小适当的孔结构，研究发现这些孔结构对焦油和苯酚具有很好的物理吸附能力，同时采用的聚合物原料，这些聚合物材料纺丝后能对烟气中焦油和苯酚产生很好的分子间作用力，大大增加了对烟气中焦油和苯酚的选择性吸附能力；此外，纳米纤维膜改性纸质基材制得的滤嘴对卷烟吸食品质到了一定的改善，克服了普通纸质滤棒在卷烟燃吸过程中产生的塌陷、烟气发干、有明显纸味等缺点；本发明的制备方法简单，成本低，可以进行连续工业化生产。 

具体实施方式

以下实施例是对本发明的进一步说明，而不是限制本发明保护的范围。 

实施例1 

单独对醋酸纤维溶液进行纺丝，纺丝在电纺丝室进行。将醋酸纤维溶于丙酮制备成8%（W/W）的溶液，置于储料罐中，通过电脑控制的微量泵以每个泵4mL/h 的速度向400个电纺喷头进行料液供给，电纺电压为20KV，喷头与纸质基材之间的距离为20cm，电纺环境温度为50℃，每组电纺喷头为20个喷头，每组喷头形成一个回路，每组喷头在回路中连续匀速转动，以使得电纺丝在接收基材上均匀。电纺室一端连续通入空气，另一端将混有溶剂的空气从电纺室排出后进行溶剂回收。以木浆纤维制成的纸为基体接收醋酸纤维纳米纤维，在原纸上制备出直径约1μm的白色纳米纤维的膜层，制备成含电纺丝纳米纤维的纸质材料，纳米纤维膜在纸质基材上的喷覆量约为0.8g/m².。将制成的含电纺丝纳米纤维膜的纸质材料净压纹，分切成24cm款的窄幅，用嘴棒成型机将其制备成滤棒并卷接成卷烟，设备操作正常，降低烟气焦油效果显著，同时烟气苯酚的释放量明显降低，且与传统的纸质嘴棒相比，卷烟吸味得到一定程度的改善。 

实施例2 

单独对聚乳酸纤维（PLA）溶液进行纺丝。电纺在实施例1中的电纺室进行。纺丝设备与实施例1相同。将聚乳酸纤维（PLA）溶于二氯甲烷制备成12%（W/W）的溶液，在室温下，使用15KV的电压和10cm的固化距离，纺丝液的推进速度为2mL/h，对其进行纺丝，以麻浆纤维制成的纸为基体接收聚乳酸纳米纤维，在原纸上制备出直径为800μm左右的白色纳米纤维的膜层，制备成含电纺丝纳米纤维膜的纸质材料，纳米纤维膜在纸质基材上的喷覆量约为0.3g/m².。将制成的含电纺丝纳米纤维的纸质材料净压纹，分切成26cm款的窄幅，用嘴棒成型机将其制备成滤棒并卷接成卷烟，设备操作正常，可同时降低烟气焦油和苯酚的释放量，且与传统的纸质嘴棒相比，卷烟吸味得到一定程度的改善。 

实施例3 

对壳聚糖和聚己内酰胺共混溶液进行纺丝。电纺在实施例1中的电纺室进行。纺丝设备与实施例1相同。将壳聚糖溶于乙酸制备成7%（W/W）的溶液，将聚己内酰胺溶于甲酸制备成8%（W/W）的溶液，以30:70质量比混合两种溶液，在室温下，使用30KV的电压和15cm的固化距离，纺丝液的推进速度为1.0mL/h，对其进行纺丝，以麻浆纤维制成的纸为基体接收壳聚糖和聚己内酰胺纳米纤维，在原纸上制备出直径为600nm左右的白色纳米纤维的膜层，制备成含电纺丝纳米纤维膜的纸质材料，纳米纤维膜在纸质基材上的喷覆量约为0.2g/m².。将制成的含电纺丝纳米纤维的纸质材料净压纹，分切成18cm款的窄幅， 用嘴棒成型机将其制备成滤棒并卷接成卷烟，设备操作正常，烟气焦油和苯酚得到显著降低，且与传统的纸质嘴棒相比，卷烟吸味得到一定程度的改善。 

实施例4 

采用实施例2制成的滤棒与普通醋酸纤维丝束滤棒按照10mm和15mm的比例制成复合滤棒，其余同实施例2。 

实施例5 

采用实施例3制成的滤棒与普通醋酸纤维丝束滤棒按照15mm和10mm的比例制成复合滤棒，其余同实施例3。 

实施例6 

由上述实施例1～5制得的滤棒，卷接制备卷烟，选择相同卷烟质量和吸阻的卷烟经专业烟气分析和专业感官质量评析评价后，结果见表1所示： 

表1不同方法制备的卷烟烟气分析结果和感官评价结果 

从上表数据可以看出，与普通醋酸纤维嘴棒相比，采用静电纺纳米纤维素喷覆纸制备的纸质滤棒明显地提高了滤嘴的对焦油和苯酚的过滤效率，焦油降低了1.40～3.79mg/支。与普通纸质滤棒相比，采用静电纺纳米纤维喷覆纸制备的纸质滤棒依旧保持了良好的过滤性能的优势，同时，显著降低了烟气中主要有害成分苯酚的释放量，苯酚的降低率为26.35～31.64%,并且提高了卷烟的感官质量评价， 接近普通醋酸纤维滤棒卷烟的感官评价指标。本发明的结果说明，采用静电纺纳米纤维喷覆纸制备的纸质滤棒，能达到降焦减害的目的，提高卷烟的稀释安全性，并且对普通的纸质滤棒卷烟的内在吸食品质有改善作用。