專利名稱：功能納米短纖維的制備及其在香煙過濾嘴中的應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及功能納米短纖維材料制備的技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種功能納米短纖維的制備及其在香煙過濾嘴中的應(yīng)用。
背景技術(shù)：
吸煙會產(chǎn)生大量的有害物質(zhì)，這些物質(zhì)不僅危害吸煙者的健康，而且污染周圍的環(huán)境。一般來說，一支煙可產(chǎn)生大約400到500毫克的煙霧，其中有90％的物質(zhì)是相對無害的氣體成份，如氮氣，氧氣，二氧化碳和水。而其它約有4.5％的物質(zhì)(大約22.5毫克)為焦油成份，另外還有1.35％(大約6.7毫克)的小分子化學(xué)蒸氣。焦油中含有至少三千五百種有機物，而煙霧中小分子成份大約有400到500種。這些物質(zhì)中，至少有43中物質(zhì)有明顯的致癌作用。此外，煙霧中還有不完全燃燒所產(chǎn)生的一氧化碳和大量的自由基，如氧自由基和氮氧自由基等。它們與體內(nèi)的蛋白質(zhì)，DNA和RNA直接反應(yīng)，對身體造成更大的危害。
為了減少吸煙造成的危害，煙卷的尾部多加上過濾體，其目的在于過濾和吸收焦油和其它有害成份。過濾體是由聚合物纖維絲束組成的多通道過濾層。當(dāng)煙霧經(jīng)過過濾層時，其中部份的顆粒被纖維絲束俘獲，因而起到過濾作用。但是，由于目前使用的絲束直徑多在十幾個微米，其比表面積一般小于0.1m2/g，過濾層對亞微米級煙霧顆粒的過濾效果較差，不能有效地過濾煙中的焦油含量。
以往的發(fā)明多在過濾層中加入比表面積較大的顆粒材料，以改善對亞微米顆粒的吸附能力。如發(fā)明CN1198905A將多孔性的分子篩顆粒加入過濾層，以降低卷煙焦油或氣相物質(zhì)中的有害物質(zhì)；發(fā)明CN1296790A則使用低硅鋁比的沸石分子篩和高硅鋁比的分子篩，它們與聚丙烯絲束混合，可降低卷煙的焦油量和乙醛、丙烯醛、苯、甲苯含量；發(fā)明CN1399923A采用多孔性天然高分子材料β-甲殼素，以吸附香煙中焦油、尼古丁、甲醛、氰化物等有害物質(zhì)，并對人體有很好的保健作用。最近的研究則傾向于使用比表面積更大的無機納米材料，如Al2O3SiO2、TiO2顆粒等，用于減少煙氣中焦油、煙堿的生成量。但是，所有這些顆粒型添加劑都存在一個同樣的問題顆粒隨氣流漂移進入肺部，長期積累會導(dǎo)致矽肺。
日本發(fā)明專利JP11057343將棒狀短纖維包裹于過濾體。由于棒狀短纖維有較大的方面比，它們在過濾層中隨氣體的流動受到很大的限制。但是由于發(fā)明中使用的是直徑在微米級的棒狀短纖維，它們對亞微米級顆粒的過濾效率有限，對過濾層的比表面積提高不大。
一般來說，纖維狀過濾體的過濾效率和纖維直徑有很大的關(guān)系。只有直徑在亞微米或納米級的纖維，才能有效地過濾亞微米級或納米級的顆粒。當(dāng)過濾體同時含有亞微米級和納米級纖維時，濾層俘獲顆粒的范圍更廣，效率更高。
另一方面，降低煙中的一氧化碳和自由基成份需要具有催化功能的過濾材料。常用方法是在過濾嘴中添加催化劑，其作用在于中和或轉(zhuǎn)化這些活性成份和一氧化碳。如發(fā)明GR1003934用金屬銣鹽將尼古丁轉(zhuǎn)換成無毒的維生素B3，同時猝滅吸煙所產(chǎn)生的自由基成份；而發(fā)明GR1004550則采用葉綠素類化合物來中和香煙產(chǎn)生的自由基；發(fā)明CN1252245A用金屬卟啉類化合物作為催化劑，以降解苯并芘，并將CO、NO轉(zhuǎn)化為無害的氣體。然而，這些方法往往需要一種多孔性的催化劑載體，以固定催化劑，同時保持催化劑層有較大的反應(yīng)面積。專利中多使用活性碳粒為吸附劑，或者將催化劑固定在直徑較大的纖維表面。顆粒型活性碳載體同樣存在顆粒泄漏的問題，而用直徑較大的纖維載體則會將大多數(shù)催化劑包裹于纖維內(nèi)層，造成催化劑失活和材料浪費。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的在于提供一種直徑在50-1000納米長度在幾個毫米的煙用納米短纖維，這些煙用納米短纖維包括沒有催化活性的普通納米短纖維，和能降低煙中活性自由基和一氧化碳含量的具有催化功能的納米短纖維；同時提供一種迅速，連續(xù)生產(chǎn)上述煙用聚合物納米短纖維的方法。此外，本發(fā)明還設(shè)計一種在不改變現(xiàn)有過濾嘴生產(chǎn)工藝的前提下，將納米短纖維復(fù)合于現(xiàn)有過濾體的方法。
為達到上述目的，本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的一種功能納米短纖維的制備，主要利用靜電紡絲技術(shù)，其特征在于在高壓電場下將聚合物溶液迅速拉伸成并轉(zhuǎn)化成固體超細纖維，生成直徑在50-1000納米的納米纖維，這些纖維被直接收集在水中，并且使用循環(huán)水真空泵加速收集，利用真空形成時高速水流所產(chǎn)生的剪切效應(yīng)，將收集的納米長纖維迅速剪切成長度為幾個毫米的納米短纖維。
在制備納米纖維時，將催化劑加入紡絲液。
紡絲液中可以加入血紅素，血晶素，葉綠素，金屬鉬酸鹽，金屬銣鹽作為催化劑。
它們的濃度范圍為0.5-2.5％。
一種香煙過濾嘴，包括過濾嘴纖維絲束和上述納米短纖維，其特征在于過濾嘴纖維絲束中復(fù)合根據(jù)上述方法制備的醋酸纖維素納米短纖維。
過濾嘴纖維絲束和醋酸纖維素納米短纖維通過濕法進行復(fù)合。
藉由上述技術(shù)方案，使本發(fā)明具有如下優(yōu)點本發(fā)明采用一種特殊的紡絲技術(shù)(靜電紡絲技術(shù)，以下稱靜電紡)來制備直徑在幾十至幾百納米的聚合物納米纖維。并利用高速水流產(chǎn)生的剪切效應(yīng)，將生成的納米纖維迅速剪切成長度在幾個毫米的納米短纖維。納米短纖維與現(xiàn)有過濾嘴纖維絲束復(fù)合，形成高效能的復(fù)合過濾體。該復(fù)合過濾體不僅能有效地提高對亞微米級和納米級氣霧顆粒的過濾效率，同時也大大增加了過濾面積，以有效地降低煙霧中的焦油和其它化學(xué)成份的含量。加入納米短纖維的另一個優(yōu)點是可以用溶液的方法(濕法)直接與現(xiàn)有過濾嘴絲束混合，由于納米短纖維有很大的方面比，它們在濕法復(fù)合過程中不會因堆積而降低比表面積。
本發(fā)明在制備納米纖維時，將催化劑加入紡絲液，以制備具有催化活性的納米短纖維。由于納米纖維有很高的表面積/體積比，大量的催化劑被固定于纖維的表面層。纖維不僅有很高的催化活性，而且節(jié)省催化劑的使用量，并簡化生產(chǎn)工藝。
整個工藝過程緊湊，操作連續(xù)，機械化程度高。含有納米短纖維的過濾嘴復(fù)合體不僅能有效降低煙氣中焦油含量，而且能將一氧化碳轉(zhuǎn)化為二氧化碳，并同時猝滅各種活性自由基成份。由于納米纖維有很高的方面比，它們不會在使用過程中泄漏。此外，納米纖維有很高的空隙率，它們不僅會影響吸煙阻力。發(fā)明使用與現(xiàn)有過濾嘴絲束相同的聚合物材料來制備納米斷纖維，因而不會影響吸煙的口味。


圖1是管式多噴頭電紡絲裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中1-高壓電源發(fā)生器；2-正電極連接器；3-聚合物流體輸送管； 4-扇形引導(dǎo)區(qū)；5-收集電極； 6-流速調(diào)節(jié)閥；7-水抽氣泵； 8-循環(huán)水槽；9-過濾網(wǎng)；10-循環(huán)水泵；11-與紡絲液儲槽相連
具體實施例方式
本發(fā)明在聚合物材料上主要使用煙用醋酸纖維素，二醋酸纖維素和三醋酸纖維素。最好使用煙用二醋酸纖維素。紡絲液用丙酮，丙酮-水或丙酮-二甲基乙酰氨為溶劑，最佳的溶劑體系為丙酮-水(體積比為80∶20)。紡絲液中醋酸纖維素的濃度在4-16％，最佳濃度范圍為8-12％。紡絲液中可以加入血紅素，血晶素，金屬鉬酸鹽，金屬銣鹽等催化劑，最佳催化劑為血紅素，濃度范圍為0.5-2.5％。
靜電紡絲過程中，使用一種管式多噴頭電紡絲裝置(請參閱圖1)，將生成的納米纖維直接沉積于循環(huán)水中。紡絲使用電壓范圍為12KV-32KV，最佳電壓范圍為18KV-26KV。每個噴頭的聚合物流速在5-35毫升/小時，最佳流速范圍為15-25毫升/小時。生成的納米纖維用環(huán)形接收電極引導(dǎo)，直接沉積于循環(huán)水中。接收電極與噴絲頭之間的距離為30-60厘米，最佳距離為40-50厘米。為了加速納米纖維的沉積，并同時將納米纖維剪切成納米短纖維，收集過程中用水真空泵加速，真空管與接收電極直接相連，并用扇形漏斗引導(dǎo)以擴大收集范圍。收集得到納米纖維在經(jīng)過水真空泵時受到高速水流的剪切，流速范圍為100-1000毫升/分鐘，最佳流速范圍為300-600毫升/分鐘。形成的短纖維濃度達到10-30％時，即可用過濾方法收集濃縮，或者直接用于與過濾嘴纖維絲束混合。
本發(fā)明主要解決納米纖維在香煙過濾嘴使用中的三個關(guān)鍵問題
1、納米短纖維的制備將電紡絲生成的納米短纖維直接收集于真空水循環(huán)系統(tǒng)，利用真空形成時所產(chǎn)生的高速水流將較長的納米纖維直接剪切成長度在幾個毫米的納米斷纖維。
2、納米短纖維的功能化在電紡絲制備過程中，將各種催化劑直接加入紡絲液，用上述同樣的方法制備具有催化功能的納米短纖維。
3、納米斷纖維與過濾嘴用纖維絲束的復(fù)合將含有納米短纖維的懸浮液用濕法直接噴涂于過濾嘴纖維絲束中，形成復(fù)合過濾體。復(fù)合過程不影響現(xiàn)有的過濾嘴生成工藝。
權(quán)利要求
1.一種功能納米短纖維的制備，主要利用靜電紡絲技術(shù)，其特征在于在高壓電場下將聚合物溶液迅速拉伸成并轉(zhuǎn)化成固體超細纖維，生成直徑在50-1000納米的納米纖維被直接收集在水中，并同時使用循環(huán)水真空泵加速收集，利用真空形成時高速水流所產(chǎn)生的剪切效應(yīng)，將收集的納米長纖維迅速剪切成長度為幾個毫米的納米短纖維。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的功能納米短纖維的制備，其特征在于在制備納米纖維時，將催化劑加入紡絲液。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的功能納米短纖維的制備，其特征在于紡絲液中可以加入血紅素，血晶素，葉綠素，金屬鉬酸鹽，金屬銣鹽作為催化劑。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的功能納米短纖維的制備，其特征在于催化劑為血紅素，濃度范圍為0.5-2.5％。
5.一種香煙過濾嘴，包括過濾嘴纖維絲束，其特征在于過濾嘴纖維絲束中復(fù)合根據(jù)權(quán)利要求1或2或3或4所制備的醋酸纖維素納米短纖維。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的香煙過濾嘴，其特征在于過濾嘴纖維絲束和醋酸纖維素納米短纖維通過濕法進行復(fù)合。
全文摘要
一種功能納米短纖維的制備，主要利用靜電紡絲技術(shù)，在高壓電場下將聚合物溶液迅速拉伸成并轉(zhuǎn)化成固體超細纖維，生成直徑在50－1000納米的納米纖維，這些纖維被直接收集在水中，并且使用循環(huán)水真空泵加速收集，利用真空形成時高速水流所產(chǎn)生的剪切效應(yīng)，將收集的納米長纖維迅速剪切成長度為幾個毫米的納米短纖維。在制備納米纖維時，將催化劑加入紡絲液。利用上述方法制備的醋酸纖維素納米短纖維與過濾嘴纖維絲束中復(fù)合制成香煙過濾嘴。該復(fù)合過濾體不僅能有效地提高對亞微米級和納米級氣霧顆粒的過濾效率，同時也大大增加了過濾面積，以有效地降低煙霧中的焦油和其它化學(xué)成分的含量。
文檔編號B22F9/16GK1603036SQ20041008422
公開日2005年4月6日 申請日期2004年11月17日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月17日
發(fā)明者林童 申請人:林童, 趙曙光, 趙滬光