改性聚丙烯纖維的卷煙焦油過濾性能研究
時間: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纖維材料改性國家重點實驗室 東華大學材料科學與工程學院，上海 200051 2江蘇大亞集團濾嘴材料分公司，江蘇丹陽）
卷煙焦油中存在著可能誘發癌癥和其它疾病的有害物質，努力降低卷煙煙氣中的焦油已成為卷煙工業的主攻課題[1-4]。目前香煙使用的過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結構并通過醚鍵連接，主鏈上大量強極性的醚鍵（－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氫鏈，鏈段上缺少極性基團，所以PP纖維制造的濾嘴對煙氣的過濾效率要遠低于二醋酸纖維素濾嘴，特別是對煙氣中極性物質的過濾性能較差[5]。本文研究工作的主要目的是提高聚丙烯纖維濾嘴對焦油的過濾性能，使其達到或接近醋酸纖維的水平，同時建立實驗室評價纖維煙氣過濾效果的簡易方法。
我們通過對比聚丙烯和二醋酸纖維素分子結構的差異，選用合適的極性添加劑和增容劑，通過共混改性的方法，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（如酯鍵、醚鍵、羥基等），從而提高聚丙烯絲束對煙氣焦油的吸附能力。
實驗主要原料有：（1）聚丙烯樹脂（Z30S，上海石化）；（2）改性添加劑A（含酯鍵，實驗室合成）、改性添加劑B（含酯鍵和醚鍵）。雙螺桿擠出機螺桿各區的溫度分別為：一區180℃～185℃；二區至四區220℃；五區190℃～195℃；螺桿轉速140～150r/min。紡絲速度400m/min，泵供量0.3cc/r，計量泵轉速16r/min。螺桿各區的溫度分別為：一區240℃，二區235℃，三區200～210℃。
為了在實驗室對改性樣品的焦油過濾效果進行相對比較，我們模擬香煙濾嘴生產廠商測試焦油過濾性能的方法，自行搭建了一個實驗室測定裝置，如Fig.1所示。
將剪碎纖維（長1～2mm）填充于玻璃管內，玻璃管的右端用4mm的聚丙烯絲速濾嘴（“大前門”香煙上截下）堵住，玻璃管左端用香煙堵住（濾嘴已切去），使纖維的填充長度固定在20mm，填充纖維重量為90±0.5mg，確保填充密度一定。每次實驗抽煙9支，抽吸量為40mL，周期30s，抽吸時間為1～2秒。
如圖1，點燃的香煙在玻璃管的最左端，針筒抽氣時，煙氣從左到右流動，經玻璃管里填充的纖維過濾后進入過濾器。過濾器將煙氣里剩余的低沸點物質吸附。玻璃管里填充纖維的過濾效果越好，吸附的焦油越多，過濾器的增重越少。所以，改性樣品對煙氣焦油過濾效果可以通過稱量過濾器的增重進行對比。我們以改性前PP纖維的實驗結果作為參照，當玻璃管里填充純PP纖維時，過濾器的增重設為W1；當玻璃管填充其他改性纖維樣品時，過濾器增重設為W2；改性纖維的過濾效率增量設為f，則f=-(W2-W1)/W1×100%。按此方法計算，改性樣品A、B的測試結果見表1。
由表1可以看到，改性樣品A、B的過濾效率分別提高了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動。當含有酯鍵、醚鍵的極性添加劑加入后，改性PP纖維對煙氣中極性相同的微粒的吸附能力增強，同時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，質量增加，煙氣中的微粒數減少，微粒與纖維表面接觸的機率增加，從而提高煙氣過濾效率。實驗室模擬實驗的結果在工廠放大試驗時得到實證。
本文通過選用合適的極性添加劑，使PP對煙氣中極性物質的過濾效率有較大提高，并模擬工廠吸煙機的原理，自行設計搭建了煙氣焦油過濾性能測試裝置，建立了簡便快捷的評價纖維煙氣過濾性能的實驗室評估方法，為采用價格低廉的PP原料制備高附加價值的煙用過濾材料提供了理論和技術基礎。
參考文獻
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[3] Shepherd, Richard, Technical Textiles International 1995，v 4 n 6 Jul-Aug.： 8-11
[4] 謝笑天，鄭萍，王建，欒小昆，謝有暢，朱月香, 云南化工，2002，Vol.29 No3:1～3
[5] 趙敏，高俊剛，鄧奎林，趙興藝.改性聚丙烯新材料.化學工業出版社，2002年出版
