改性聚丙烯纤维的卷烟焦油过滤性能研究
时间:2005-05-24
吴兆棉1 俞 昊1 朱美芳1 张 瑜1 葛继武2 范忠辉2
（1纤维材料改性国家重点实验室 东华大学材料科学与工程学院，上海 200051 2江苏大亚集团滤嘴材料分公司，江苏丹阳）
卷烟焦油中存在着可能诱发癌症和其它疾病的有害物质，努力降低卷烟烟气中的焦油已成为卷烟工业的主攻课题[1-4]。目前香烟使用的过滤嘴丝束材料主要有二醋酸纤维素（CA）和聚丙烯（PP）两种。CA纤维大分子主链含氧环结构并通过醚键连接，主链上大量强极性的醚键（－O－）、酯键（－COO－）使CA纤维具有良好的填充性和截滤性。但聚丙烯大分子链为碳氢链，链段上缺少极性基团，所以PP纤维制造的滤嘴对烟气的过滤效率要远低于二醋酸纤维素滤嘴，特别是对烟气中极性物质的过滤性能较差[5]。本文研究工作的主要目的是提高聚丙烯纤维滤嘴对焦油的过滤性能，使其达到或接近醋酸纤维的水平，同时建立实验室评价纤维烟气过滤效果的简易方法。
我们通过对比聚丙烯和二醋酸纤维素分子结构的差异，选用合适的极性添加剂和增容剂，通过共混改性的方法，将聚丙烯与极性组分共混纺丝，使聚丙烯材料中引入极性基团（如酯键、醚键、羟基等），从而提高聚丙烯丝束对烟气焦油的吸附能力。
实验主要原料有：（1）聚丙烯树脂（Z30S，上海石化）；（2）改性添加剂A（含酯键，实验室合成）、改性添加剂B（含酯键和醚键）。双螺杆挤出机螺杆各区的温度分别为：一区180℃～185℃；二区至四区220℃；五区190℃～195℃；螺杆转速140～150r/min。纺丝速度400m/min，泵供量0.3cc/r，计量泵转速16r/min。螺杆各区的温度分别为：一区240℃，二区235℃，三区200～210℃。
为了在实验室对改性样品的焦油过滤效果进行相对比较，我们模拟香烟滤嘴生产厂商测试焦油过滤性能的方法，自行搭建了一个实验室测定装置，如Fig.1所示。
将剪碎纤维（长1～2mm）填充于玻璃管内，玻璃管的右端用4mm的聚丙烯丝速滤嘴（“大前门”香烟上截下）堵住，玻璃管左端用香烟堵住（滤嘴已切去），使纤维的填充长度固定在20mm，填充纤维重量为90±0.5mg，确保填充密度一定。每次实验抽烟9支，抽吸量为40mL，周期30s，抽吸时间为1～2秒。
如图1，点燃的香烟在玻璃管的最左端，针筒抽气时，烟气从左到右流动，经玻璃管里填充的纤维过滤后进入过滤器。过滤器将烟气里剩余的低沸点物质吸附。玻璃管里填充纤维的过滤效果越好，吸附的焦油越多，过滤器的增重越少。所以，改性样品对烟气焦油过滤效果可以通过称量过滤器的增重进行对比。我们以改性前PP纤维的实验结果作为参照，当玻璃管里填充纯PP纤维时，过滤器的增重设为W1；当玻璃管填充其他改性纤维样品时，过滤器增重设为W2；改性纤维的过滤效率增量设为f，则f=-(W2-W1)/W1×100%。按此方法计算，改性样品A、B的测试结果见表1。
由表1可以看到，改性样品A、B的过滤效率分别提高了9.1%和11.8%。这是由于烟气中许多颗粒是具有极性的，并具有剧烈的布朗运动。当含有酯键、醚键的极性添加剂加入后，改性PP纤维对烟气中极性相同的微粒的吸附能力增强，同时极性相反的气溶胶微粒由于电荷排斥作用而聚集，气溶胶颗粒增大，质量增加，烟气中的微粒数减少，微粒与纤维表面接触的机率增加，从而提高烟气过滤效率。实验室模拟实验的结果在工厂放大试验时得到实证。
本文通过选用合适的极性添加剂，使PP对烟气中极性物质的过滤效率有较大提高，并模拟工厂吸烟机的原理，自行设计搭建了烟气焦油过滤性能测试装置，建立了简便快捷的评价纤维烟气过滤性能的实验室评估方法，为采用价格低廉的PP原料制备高附加价值的烟用过滤材料提供了理论和技术基础。
参考文献
[1] 刘钟祥.关于降低卷烟焦油量的有关问题.烟草科技, 1997年，第5期:5～6
[2] 堵劲松.提高卷烟滤嘴过滤效率的途径.烟草科技,1998年，第2期:9～10
[3] Shepherd, Richard, Technical Textiles International 1995，v 4 n 6 Jul-Aug.： 8-11
[4] 谢笑天，郑萍，王建，栾小昆，谢有畅，朱月香, 云南化工，2002，Vol.29 No3:1～3
[5] 赵敏，高俊刚，邓奎林，赵兴艺.改性聚丙烯新材料.化学工业出版社，2002年出版
