改性聚丙烯纖維的卷煙焦油過(guò)濾性能研究
時(shí)間:2005-05-24
吳兆棉1 俞 昊1 朱美芳1 張 瑜1 葛繼武2 范忠輝2
（1纖維材料改性國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 東華大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200051 2江蘇大亞集團(tuán)濾嘴材料分公司，江蘇丹陽(yáng)）
卷煙焦油中存在著可能誘發(fā)癌癥和其它疾病的有害物質(zhì)，努力降低卷煙煙氣中的焦油已成為卷煙工業(yè)的主攻課題[1-4]。目前香煙使用的過(guò)濾嘴絲束材料主要有二醋酸纖維素（CA）和聚丙烯（PP）兩種。CA纖維大分子主鏈含氧環(huán)結(jié)構(gòu)并通過(guò)醚鍵連接，主鏈上大量強(qiáng)極性的醚鍵（－O－）、酯鍵（－COO－）使CA纖維具有良好的填充性和截濾性。但聚丙烯大分子鏈為碳?xì)滏湥湺紊先鄙贅O性基團(tuán)，所以PP纖維制造的濾嘴對(duì)煙氣的過(guò)濾效率要遠(yuǎn)低于二醋酸纖維素濾嘴，特別是對(duì)煙氣中極性物質(zhì)的過(guò)濾性能較差[5]。本文研究工作的主要目的是提高聚丙烯纖維濾嘴對(duì)焦油的過(guò)濾性能，使其達(dá)到或接近醋酸纖維的水平，同時(shí)建立實(shí)驗(yàn)室評(píng)價(jià)纖維煙氣過(guò)濾效果的簡(jiǎn)易方法。
我們通過(guò)對(duì)比聚丙烯和二醋酸纖維素分子結(jié)構(gòu)的差異，選用合適的極性添加劑和增容劑，通過(guò)共混改性的方法，將聚丙烯與極性組分共混紡絲，使聚丙烯材料中引入極性基團(tuán)（如酯鍵、醚鍵、羥基等），從而提高聚丙烯絲束對(duì)煙氣焦油的吸附能力。
實(shí)驗(yàn)主要原料有：（1）聚丙烯樹(shù)脂（Z30S，上海石化）；（2）改性添加劑A（含酯鍵，實(shí)驗(yàn)室合成）、改性添加劑B（含酯鍵和醚鍵）。雙螺桿擠出機(jī)螺桿各區(qū)的溫度分別為：一區(qū)180℃～185℃；二區(qū)至四區(qū)220℃；五區(qū)190℃～195℃；螺桿轉(zhuǎn)速140～150r/min。紡絲速度400m/min，泵供量0.3cc/r，計(jì)量泵轉(zhuǎn)速16r/min。螺桿各區(qū)的溫度分別為：一區(qū)240℃，二區(qū)235℃，三區(qū)200～210℃。
為了在實(shí)驗(yàn)室對(duì)改性樣品的焦油過(guò)濾效果進(jìn)行相對(duì)比較，我們模擬香煙濾嘴生產(chǎn)廠商測(cè)試焦油過(guò)濾性能的方法，自行搭建了一個(gè)實(shí)驗(yàn)室測(cè)定裝置，如Fig.1所示。
將剪碎纖維（長(zhǎng)1～2mm）填充于玻璃管內(nèi)，玻璃管的右端用4mm的聚丙烯絲速濾嘴（“大前門(mén)”香煙上截下）堵住，玻璃管左端用香煙堵?。V嘴已切去），使纖維的填充長(zhǎng)度固定在20mm，填充纖維重量為90±0.5mg，確保填充密度一定。每次實(shí)驗(yàn)抽煙9支，抽吸量為40mL，周期30s，抽吸時(shí)間為1～2秒。
如圖1，點(diǎn)燃的香煙在玻璃管的最左端，針筒抽氣時(shí)，煙氣從左到右流動(dòng)，經(jīng)玻璃管里填充的纖維過(guò)濾后進(jìn)入過(guò)濾器。過(guò)濾器將煙氣里剩余的低沸點(diǎn)物質(zhì)吸附。玻璃管里填充纖維的過(guò)濾效果越好，吸附的焦油越多，過(guò)濾器的增重越少。所以，改性樣品對(duì)煙氣焦油過(guò)濾效果可以通過(guò)稱量過(guò)濾器的增重進(jìn)行對(duì)比。我們以改性前PP纖維的實(shí)驗(yàn)結(jié)果作為參照，當(dāng)玻璃管里填充純PP纖維時(shí)，過(guò)濾器的增重設(shè)為W1；當(dāng)玻璃管填充其他改性纖維樣品時(shí)，過(guò)濾器增重設(shè)為W2；改性纖維的過(guò)濾效率增量設(shè)為f，則f=-(W2-W1)/W1×100%。按此方法計(jì)算，改性樣品A、B的測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。
由表1可以看到，改性樣品A、B的過(guò)濾效率分別提高了9.1%和11.8%。這是由于煙氣中許多顆粒是具有極性的，并具有劇烈的布朗運(yùn)動(dòng)。當(dāng)含有酯鍵、醚鍵的極性添加劑加入后，改性PP纖維對(duì)煙氣中極性相同的微粒的吸附能力增強(qiáng)，同時(shí)極性相反的氣溶膠微粒由于電荷排斥作用而聚集，氣溶膠顆粒增大，質(zhì)量增加，煙氣中的微粒數(shù)減少，微粒與纖維表面接觸的機(jī)率增加，從而提高煙氣過(guò)濾效率。實(shí)驗(yàn)室模擬實(shí)驗(yàn)的結(jié)果在工廠放大試驗(yàn)時(shí)得到實(shí)證。
本文通過(guò)選用合適的極性添加劑，使PP對(duì)煙氣中極性物質(zhì)的過(guò)濾效率有較大提高，并模擬工廠吸煙機(jī)的原理，自行設(shè)計(jì)搭建了煙氣焦油過(guò)濾性能測(cè)試裝置，建立了簡(jiǎn)便快捷的評(píng)價(jià)纖維煙氣過(guò)濾性能的實(shí)驗(yàn)室評(píng)估方法，為采用價(jià)格低廉的PP原料制備高附加價(jià)值的煙用過(guò)濾材料提供了理論和技術(shù)基礎(chǔ)。
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