改性醋酸纖維絲束及其在煙氣過濾中的應用研究.pdf

1、卷煙煙氣中的成份相當復雜，達五千多種，其中的有害物質，如煙草特有亞硝胺、苯并[a]芘、自由基等，對吸煙者造成一定的健康危害。為提高卷煙煙氣的品質，降低其有害成份，國內外的研究人員做了大量長期的工作，主要方法是采用復合濾嘴取代普通濾嘴，增加卷煙濾嘴的截留能力。雖然改進的復合濾嘴和傳統(tǒng)的濾嘴相比，在降焦減害及改善卷煙吸味方面具有一定的優(yōu)勢，但在工業(yè)化實際應用中存在均勻性差、加工復雜、污染嚴重、成本高等缺點，因此未能在卷煙行業(yè)中普遍推廣。

2、 為了有效解決和克服復合濾嘴使用降焦減害添加劑過程中存在的各類問題，本文擬在常規(guī)煙用醋酸纖維絲束制備工藝的基礎上，以醋酸纖維素/丙酮漿液和紡絲油劑作為研究對象，利用納米技術及絲束表面改性的途徑研制具有減少卷煙煙氣中有害成分的改性醋酸纖維Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ。本文研究的油劑添加復合技術及煙用二醋酸纖維生產過程中納米復合技術的開發(fā)應用未見國內外任何公開報道。 在本論文中，研究了醋酸纖維濾材對煙氣中粒相及氣相物的過濾機制及過濾效率；建立

3、了卷煙煙氣中有害成份如焦油、煙堿、一氧化碳、亞硝胺、自由基等物質的測試方法。在此基礎上探索煙用醋酸纖維改性的途徑與方法，并研究了改性醋酸纖維對煙氣中有害成份的作用機理。主要內容如下： 1.降焦減害添加劑的篩選。 多孔吸附劑、化學作用類、中草藥類、生物類、納米材料等各類添加劑在復合嘴棒中的研究報道較多，但其中能滿足紡絲油劑添加要求及紡絲漿液添加要求的物質極少。其中，紡絲油劑添加劑要求無色、無味、食用安全級；易溶于水，不影響

4、油劑體系的流動性能；pH值為6～8；熱穩(wěn)定性好，能耐120℃高溫。漿液添加劑要求無色、無味、食用安全級；不溶于丙酮溶劑；粒度小于1微米，且在丙酮中的分散性能好，在高粘度漿液中不易聚集；熱穩(wěn)定性好，能耐120℃高溫；有足夠的機械強度。 在文獻檢索及大量前期工作的基礎上，本文選擇殼聚糖、聚乙烯醇、吡咯烷酮羧酸鈉、山梨醇、改性淀粉作為紡絲油劑添加劑，在油劑乳化穩(wěn)定性評價后確定了油劑體系的添加方式及添加量，并在試驗裝置上進行醋酸纖維改性

5、實驗。煙氣分析結果表明，吡咯烷酮羧酸鈉是一種適合于添加在紡絲油劑中的添加劑，該物質具有選擇性清除煙氣中焦油及亞硝胺的作用。 本文選擇納米二氧化硅、檸檬酸、納米層狀磷酸鹽材料、分子篩微粉作為紡絲漿液的添加劑，將含有添加劑的母棒加工成復合嘴棒接成卷煙進行煙氣預評價，以達到添加劑篩選的目的。結果表明，納米二氧化硅(SiOx)對焦油具有明顯的清除作用。 2.降焦減害添加劑的改性。 在添加劑篩選的基礎上，本文對醫(yī)用級殼聚糖

6、進行改性，研制了殼聚糖-g-β-環(huán)糊精作為紡絲油劑添加劑。實驗結果表明，殼聚糖-g-β-環(huán)糊精兼具殼聚糖及β-環(huán)糊精的雙重吸附效果，對煙氣中焦油的吸附效果顯著；采用殼聚糖—g—β—環(huán)糊精制備的改性醋酸纖維絲束Ⅱ對煙氣中的稠環(huán)芳烴組份具有明顯的去除作用。和常規(guī)醋酸纖維絲束空白樣相比，卷煙煙氣中稠環(huán)芳烴的總量同比下降48.1％。 此外，本文采用多孔淀粉為載體，通過交聯—吸附的方式將生物活性酶固定在多孔淀粉上，研制成紡絲漿液添加劑。利

7、用多孔淀粉的高吸附特性及固定的生物活性酶有效降低煙氣中的焦油及自由基含量。結果表明，改性添加劑具備良好的酶活穩(wěn)定性，且對自由基具有明顯的抑制作用。 3.改性醋酸纖維絲束的研制。 本文利用醋酸纖維生產工藝流程的特點，提出通過油劑及紡絲漿液兩種制備改性醋酸纖維的技術工藝。根據兩種添加方式的要求，在分別進行多組添加劑的篩選后，選定吡咯烷酮羧酸鈉、殼聚糖-g-β-環(huán)糊精作為油劑添加劑，納米二氧化硅、改性多孔淀粉作為紡絲漿液添加劑

8、。在突破煙用二醋酸纖維絲束生產過程中的添加點、添加量以及添加劑改性等一系列技術瓶頸難點后，在工業(yè)化設備上首次研制成功具有降焦油功能的納米二氧化硅復合醋酸纖維絲束、及具有降焦油和降煙草特有亞硝胺功能的改性醋酸纖維絲束Ⅲ，初步實現了產品的工業(yè)化。 試驗結果表明，采用吡咯烷酮羧酸鈉改性的醋酸纖維絲束Ⅰ和普通醋酸纖維絲束相比，每支卷煙煙氣中焦油含量下降2.55mg，同比下降16.4％；煙草特有亞硝胺總量下降25.7％，其中最具致癌性的N

9、-亞硝基去甲基煙堿(NNN)含量下降67.6％。 通過對納米二氧化硅的表面改性，使納米二氧化硅顆粒在丙酮溶液中具有良好的分散性。并采用溶液共混法制備紡絲漿液，通過工業(yè)紡絲設備生產出含納米二氧化硅的復合醋酸纖維Ⅲ。煙氣分析結果表明，這種復合醋酸纖維Ⅲ對煙氣中的焦油具有優(yōu)良的截留能力，每支卷煙煙氣中焦油含量下降4.94mg，同比下降31.7％。 通過對殼聚糖及多孔淀粉進行改性研究，發(fā)現殼聚糖—g—β—環(huán)糊精作為油劑添加劑對煙

10、氣中的焦油有明顯的清除效果，采用殼聚糖—g—β—環(huán)糊精改性的醋酸纖維絲束Ⅱ對煙氣中的稠環(huán)芳烴去除率達46.6％。同時，表明通過對添加劑的改性，能有效去除煙氣中的稠環(huán)芳烴組份。 本文采用交聯—吸附的方法將過氧化氫酶固定在多孔淀粉材料中制得改性漿液添加劑，經改性后的添加劑不僅對煙氣中的焦油具有明顯的吸附效果，而且具備生物活性，對自由基有明顯的抑制效果。采用該改性醋酸纖維絲束Ⅳ加工的濾嘴經抽吸后，每支卷煙煙氣中的焦油自由基含量同比下降

11、21.34％，氣相自由基含量同比下降25.07％。 4.改性醋酸纖維的作用機理。 本文通過研究認為，改性醋酸纖維對煙氣中的粒相物的過濾機理有：直接攔截過濾、慣性碰撞過濾、擴散沉積過濾。此外，由于吡咯烷酮羧酸鈉等富電性物質的加入，對煙氣中的帶電粒子還存在電荷吸附機理：由于納米二氧化硅、殼聚糖—g—β—環(huán)糊精表面存在大量羥基和不飽和殘鍵，對煙氣組分形成分子間的氫鍵締合機理。 本文首次采用BET方法測定醋酸纖維的比表面

12、積及表征改性醋酸纖維的物理吸附能力。研究結果表明，由于納米材料的表面效應，改性醋酸纖維的比表面積比普通醋酸纖維增加了104％。改性醋酸纖維表面存在2～3nm的納米孔洞，及由于部分納米顆粒在絲束表面團聚產生的20～100nm大小的孔洞。這種改性醋酸纖維表面狀態(tài)與常規(guī)醋酸纖維相比所發(fā)生的很大改變，使改性纖維對煙氣中的焦油等粒相物起到了明顯的截留作用。 本文研究了改性醋酸纖維對亞硝胺的作用機理。富電子的吡咯烷酮羧酸鈉與氨基N+相結合，

13、增加了亞硝胺在改性醋酸纖維表面的吸附量。此外，本文提出吡咯烷酮羧酸鈉與氨基N+形成共軛體系的作用機理。 吸附機理表明吡咯烷酮羧酸鈉對具有平面結構的亞硝胺具有很強的作用，但由于煙堿既具有立體結構，又帶有與吡咯烷酮羧酸鈉相同的電性，所以改性醋酸纖維對煙堿不產生吸附作用，使得能夠在保證煙氣口味及勁頭的前提下，實現了對煙氣中有害物質的選擇性吸附。 本文還研究了改性醋酸纖維對自由基的清除作用，提出了主流煙氣中烷基自由基、烷氧基自由

14、基和半醌自由基的催化衰變機理： 5.本文研究課題的創(chuàng)新點及推廣前景。 本文主要創(chuàng)新點如下： (1)本論文采用紡絲油劑添加方式及紡絲漿液添加方式對常規(guī)煙用醋酸纖維進行改性。本文采用的改性途徑及改性煙用二醋酸纖維研制過程中納米技術的開發(fā)應用未見國內外任何公開報道。 (2)本論文的系列研究突出“選擇性降焦減害”，即在保留煙堿及抽吸口感的基礎上，選擇性清除焦油、苯并[a]芘、煙草特有亞硝胺、自由基等有害成份，并成

15、功研制出具有上述功能的系列化醋酸纖維絲束Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ。 (3)本文研制的改性醋酸纖維絲束保證了單根纖維添加劑含量的均勻性，解決了復合濾嘴直接添加粉體均勻性較差的問題。 (4)本文研究的改性醋酸纖維絲束的成本比常規(guī)絲束僅增加2％左右，和復合嘴棒的成本增加30％相比具有明顯的成本優(yōu)勢，具有行業(yè)內推廣的廣闊前景。 (5)本文深入研究了改性醋酸纖維對煙氣的作用機理。首次采用BET方法有效表征了改性醋酸纖維的吸附能力。

16、 通過對改性醋酸纖維絲束所制卷煙的煙氣評吸，分析結果表明，采用改性醋酸纖維制備的卷煙在降低卷煙煙氣中相關有害物質的同時能夠較好地保留煙氣的余味，并使煙氣的刺激性降低，卷煙煙氣口感變柔和，對香氣的質和量無任何不良影響，符合卷煙消費者的生理需求及中式卷煙發(fā)展的趨勢。目前我國市售卷煙的焦油含量明顯高于發(fā)達國家，卷煙行業(yè)“降焦減害”的壓力日益增加，本文研究的改性醋酸纖維絲束清除煙氣中焦油和亞硝胺含量等方面的性能突出，使得改性煙用二醋酸纖維