[发明专利]一种有机‑无机纳米纤维复合丝束及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及卷烟技术领域，具体涉及一种有机-无机纳米纤维复合丝束及其制备方法和应用。

背景技术

卷烟烟气中的氰化氢(HCN)主要来源于烟草中硝酸盐和含氮化合物在燃吸过程中的氧化分解，其释放量约为30-300μg/cig。烟气中的HCN经呼吸道吸收后迅速进入机体，对人的身体健康产生危害。随着《烟草控制框架公约》的签订，研发能够有效降低卷烟主流烟气中HCN和氨的释放量的新型滤嘴材料已成为国际卷烟的发展方向。目前国内外研究者多采用吸附法去除卷烟主流烟气中的HCN和氨。

在有机基体中引入无机组分构筑有机-无机纳米纤维膜，可以结合有机组分和无机组分的优点，增强纳米纤维膜的机械强度、热稳定性和吸附性能。近年来，具有高催化、吸附、生物相容性能的有机-无机纳米纤维膜受到了广泛的关注。

例如，公开号为CN 102352548A的发明专利文献采用共混聚丙烯腈溶液与合成的硅烷共聚物，经静电纺丝制备先驱体纤维膜，然后经高温碳化，制得硅/碳纳米纤维膜。该膜比表面积大、热稳定好、力学性能和催化性能优良，在纳米线器件、过滤材料、复合增强材料等领域都有着潜在的应用前景。

此外，公开号为CN 102242464的发明专利文献采用聚合物材料与陶瓷材料相复合，通过静电纺丝，制备复合材料纳米纤维膜，该膜可以作为锂离子电池的隔膜以及微滤、超滤、纳滤等过滤材料的支撑体。

采用静电纺丝法制备的纳米纤维比表面积大，具有良好的吸附性能。通过改变纺丝液的组成和纺丝参数，可以制备出不同物理结构和化学性质的纳米纤维。

目前，国内烟草行业一般采用醋酸纤维素纤维丝束或聚丙烯纤维丝束制作卷烟滤棒，对丝束进行改性以提高减害降焦性能也进行了研究。例如，公开号为CN 103628253的发明专利文献报道了将静电纺丝法制备的纳米纤维沉积在连续移动的丝束表面形成功能化丝束，有效降低卷烟主流烟气中焦油、亚硝胺和HCN的释放量，且不影响卷烟吸食品质。

现有技术中，还没有能够选择性地降低卷烟主流烟气中HCN和氨的释放量的有机-无机纳米纤维复合丝束的文献报道，更没有可供实际生产应用的技术和工艺。

发明内容

本发明提供了一种有机-无机纳米纤维复合丝束的制备方法，在纺丝液中引入了矿化钙源，在接收丝束上引入矿化碳酸源，使得纳米纤维的生成与矿化同时进行，制得CaCO₃粒子在纳米纤维上均匀分布的有机-无机纳米纤维复合丝束，该有机-无机纳米纤维复合丝束能够选择性的吸附HCN和氨。

一种有机-无机纳米纤维复合丝束的制备方法，包括以下步骤：

(1)将聚丙烯酸共聚物、含钙添加剂和溶剂配置成纺丝液；

所述聚丙烯酸共聚物由有机单体和丙烯酸共聚得到，所述有机单体为丙烯腈、甲基丙烯酸甲酯、苯乙烯、聚环氧乙烷、对苯乙烯磺酸钠或丙烯酰胺；

(2)以表面附着有碳酸根离子的烟用丝束为基材，对步骤(1)所得的纺丝液进行静电纺丝，得到所述的有机-无机纳米纤维复合丝束。

本发明在纺丝液中通过含钙添加剂引入钙源，在烟用丝束(即接收丝束)上引入矿化碳酸源，实现纳米纤维的生成和矿化同时进行，矿化得到的碳酸钙粒子在纳米纤维上均匀分布。

含有碳酸钙粒子的纳米纤维沉积在烟用丝束表面，得到具有高比表面积的有机-无机纳米纤维复合丝束，该有机-无机纳米纤维复合丝束中的无机组分能够有效吸附HCN和氨，用作卷烟滤嘴时，能够有效降低卷烟主流烟气中HCN和氨的释放量。

本发明采用无针头式静电纺丝技术，利用载液槽的往复移动使得纺丝电极铁丝表面涂覆一薄层纺丝液，当施加电压超过临界值后，纺丝电极铁丝表面的纺丝液层先形成许许多多的泰勒锥，然后被拉伸成很多束射流，再经鞭动，形成纳米纤维。

本发明提供的有机-无机纳米纤维复合丝束的制备方法，简单易行，适用于连续生产，能够保证卷烟滤棒的生产质量，采用的无针头式静电纺丝技术生产效率较高，不容易产生堵塞针头的问题，维护方便；封闭式的移动载液槽保证了纺丝液浓度的恒定，可以长时间稳定地纺丝，有利于大规模连续化生产。

所述的聚合物的分子量应适当，以保证纺丝液具有合适的粘度，保证可纺性能，作为优选，所述聚丙烯酸共聚物的数均分子量为5×10³～100×10³g/mol。进一步优选，所述聚丙烯酸共聚物的数均分子量为50×10³～100×10³g/mol。