香烟滤嘴用纤维过滤材料的研究现状.pdf

20世纪二三十年代，应市场对香烟制品的发展要求，香烟滤嘴应运而生。滤嘴最初出现时，主要是作为香烟的嘴状部件起装饰作用，几乎没有其他的功能。随着使用需求的不断提升，香烟滤嘴不仅起装饰作用，更重要的是对香烟中有害成分的过滤吸收作用。经过科研人员的研发创新，滤嘴的种类发生了很大的变化，以醋酯纤维为代表的纤维滤嘴材料逐渐成为香烟滤嘴中不可或缺的一部分，这种材料在有一定的装饰作用且保持口感的基础上，又能够有效去除大量的有害成分，以适应消费大众的各方面需求1。1香烟滤嘴的种类及发展历史1.1香烟滤嘴的形式1.1.1传统滤嘴自香烟滤嘴出现后，人们开始了香烟滤嘴的探索之路，传统滤嘴主要以植物纤维、醋酯纤维和聚丙烯纤维这 3种材料为主2。其中醋酯纤维、聚丙烯纤维过滤材料的滤嘴制品研究尤为普遍，且性能相比以往有明显的优势。1.1.2特殊滤嘴除了卷纸、醋酯纤维、聚丙烯纤维可以制作滤嘴，将其他具有特殊结构、特殊添加剂、能产生特殊功效（如降焦减害、增加香气）的滤嘴被称为特殊滤嘴3-4；特殊滤嘴按作用可以分为降焦减害型和增香型1（如表1所示），当前对香烟最大的用途就是降焦减害。此外，按滤嘴结构不同可分为二复合滤嘴和三复合滤嘴。香烟滤嘴用纤维过滤材料的研究现状摘要：根据香烟滤嘴的发展历史，介绍当前制成香烟滤嘴过滤材料的种类。从特性、成本、制备工艺等方面进行综述，分析香烟滤嘴用纤维过滤材料的现状。展望香烟滤嘴用纤维过滤材料的发展趋势。关键词：香烟滤嘴；醋酯纤维；过滤材料；吸附；催化剂中图分类号:TS177文献标志码:A文章编号:1005-9350（2023）08-0012-04Abstract:According to the development history of cigarette filters,the types of filter materials for cigarette filtersare introduced.The current situation of fibrous filter materials for cigarette filters is analyzed from the characteristics,cost,and preparation process.The development trend of fibrous filter materials for cigarette filters is expected.Key words:cigarette filter;acetate fiber;filter material;adsorption;catalystResearch status of fibrous filter materials for cigarette filters收稿日期：2022-09-27基金项目：五邑大学学生创新创业项目（2020CX14）；五邑大学大学生创新创业训练计划项目（202111349180）作者简介：邬晓龙（2001），男，本科在读，主要研究方向为纺织工程。通信作者：钱幺（1990），男，讲师，博士，从事新型纺织材料和功能非织造材料研究工作，E-mail：。邬晓龙1，吕惠娇1，刘丽婷1，钱幺1，吴波伟2，黄春玲1（1.五邑大学纺织材料与工程学院，广东江门529020；2.广州检验检测认证集团有限公司，广东广州511447）WU Xiaolong1,L Huijiao1,LIU Liting1,QIAN Yao1,WU Bowei2,HUANG Chunling1(1.School of Textile Materials and Engineering,Wuyi University,Jiangmen 529020,China;2.GuangzhouInspection,Testing and Certification Group Co.Ltd.,Guangzhou 511447,China)染整技术Textile Dyeing and Finishing JournalVol.45 No.8Aug.2023第45卷第8期2023年8月8期1.2香烟滤嘴的作用纤维型香烟滤嘴是一种过滤阻力较小的棒状纤维丝束过滤材料，在香烟燃烧过程中能够调节烟气浓度，过滤和吸附尼古丁、焦油颗粒、亚硝胺、酚类化合物等不利于健康的致癌成分，同时又保留烟碱而不失香烟口味。烟气在通过烟丝时被冷却，到达滤嘴时呈浓厚的气溶胶状态，通过直接拦截、惯性碰撞和扩散3种机理过滤分离吸烟时入口的烟雾、焦油以及燃烧时产生的悬浮粒子等2。1.3香烟滤嘴的发展历史香烟制品是由烟丝带嘴的香烟不带纸嘴的香烟滤嘴香烟逐步变迁而来8。20世纪20年代中期，英国出现第一支皱纹纸和纤维素絮的香烟滤嘴，随后生产出制造这种滤嘴的机器，经过几十年的发展，用作滤嘴的过滤材料在不断地发展，从棉花、石棉和活性炭到现在以醋酯纤维、聚丙烯纤维和一些特殊滤嘴为主，过滤性能上有了很大的推进。中国也在 1980年引进进口香烟滤嘴，近 50年来，醋酯纤维用作滤嘴的材料一直占据了显著的位置，至今还没有出现能够完全代替的新材料，也成为低焦油和高焦油香烟消费者都广泛接受的机械滤嘴。香烟滤嘴的发展历史进程如图1所示9-10。类型降焦减害滤嘴增香型滤嘴铝硅盐类滤嘴5活性炭滤嘴6催化剂滤嘴2吸附剂滤嘴7香线滤嘴2特点吸附作用具有明显的选择降害性多孔隙结构，较大的比表面积，性质稳定，吸附能力良好，选择性强将催化剂负载到活性炭、分子筛等多孔物质上采用微孔固体吸附剂将香味物质吸附，然后将其加入过滤材料中在滤棒成形期间将浸渍薄荷香精的线包裹于滤嘴丝束中作用不同的铝硅盐材料制成的滤嘴，其吸附的物质不同活性炭种类和用量不同，选择性滤除能力也不同可去除吸烟产生的醛、丙酮和苯等有害物质，并使烟气中的一氧化碳转化为二氧化碳阻止燃吸期间香味成分的高温裂解，减少滤嘴对香味成分的截留无需燃烧，没有裂解产物发展前景有很好的应用前景，但要解决成本高、工艺复杂的问题会改变香烟的烟味，大部分消费者不太能接受，且制作成本高，发展前景还在观望中考虑催化剂的安全性、专一性、选择性，负载物等问题，开发和研制此类滤嘴有所局限制成的滤嘴要求吸附剂的香味容量大，持久性强，但目前市面上此类滤嘴尚未普及体现了健康、绿色、环保的消费理念，具有独特的香味，受到部分消费者的喜爱表1常见滤嘴的特点图1香烟滤嘴的发展历史进程酯2香烟滤嘴用纤维过滤材料的发展现状香烟滤嘴所使用的纤维来源很多，最初以纤维素纤维为主，现在主要是醋酯纤维（二醋酯纤维）、涤纶、丙纶、活性炭、矿物纤维等，普遍是丝束状，也有的是皱纹纸或非织造材料形式8，11。其中，二醋酯纤维以热稳定好、过滤效果好、滤阻低、弹性好、无毒害、无异味等性能优势，是香烟滤嘴中应用最为广泛的材料12。通常将集束的10 00020 000根连续、卷曲的纤维扎紧形成纤缆，单丝纤度为 25 旦（甚至更细），总纤度为30 00050 000旦，所用纤维的截面有Y、I、X和圆形等，且丝束的卷曲度可以根据滤嘴的需要进行选择。通常丝束中单根纤维越细，集束中纤维的根数越多，滤嘴的过滤效率就越好；由于焦油和尼古丁的挥发量随着滤嘴长度的增加而减少11，且增加滤嘴长度意味着要降低烟草棒的长度，吸食香烟烟雾量减少，滤嘴的长度较过去有了明显改变，过去以20 mm为主，现在常见的长度是25、27和31 mm13。邬晓龙，等：香烟滤嘴用纤维过滤材料的研究现状13染整技术45卷2.1植物纤维滤嘴植物纤维滤嘴主要是将植物纤维（棉或木浆纤维）造成薄纸并起皱成型，再将其制成香烟滤嘴，这样要求原纸须有良好的透气性和过滤效率，且力学性能强14。植物纤维滤嘴中最常见的是纸滤嘴，价格实惠，使用简便，深受大众的喜爱。植物纤维滤嘴相较于其他类型的滤嘴绿色、环保、健康，是研究传统香烟滤嘴的一大方向。文琼菊等15研究发现在纸滤嘴中加入一些吸附材料可使原纸疏松多孔，有很好的透气性和过滤效果。目前，植物纤维滤嘴在降焦减害、提高香烟品质、节约成本上有很大的研究成果。例如，将茶叶香味提取物和茶多酚添加到滤棒中可以降低焦油和烟碱的吸食量，减少烟草中亚硝胺等有害成分16；从豆科植物中提取多种酮、酚类及其衍生物与血红素制成溶剂，并以茶叶末为载体制成的复合滤嘴，也能有效降低烟气中稠环芳烃、亚硝胺、自由基等有害成分的含量17；将薄荷精油微胶囊应用于云烟滤嘴中，可以增加烟香味，改善吸食的舒适性和余味18；将罗汉果苷添加到丙纶滤嘴中，不仅能够提升烟香，还能够有效降低丙纶滤嘴对口腔带来的灼热感和刺辣感19。除了纸滤嘴外，植物纤维现在主要是以一种添加剂和吸附剂的方式在以醋酯纤维和聚丙烯纤维制成的滤嘴中发挥作用。植物纤维应用于实际滤嘴并不广泛，还有许多其他方面有待进一步深入的研究，如通过使用天然植物纤维降低生产成本，达到环境保护的意义，也有一些通过加入药用价值高的中药提取物来提升香烟的舒适性等20。2.2醋酯纤维滤嘴以二醋酯纤维21为主的醋酯纤维滤材多年来在烟草行业中占据重要地位。醋酯纤维具有较大的比表面积和较好的蓬松性，能较好地吸附和拦截香烟烟气中大部分的有害成分，且其本身并不会危害人体健康14。近年来，众多研究人员为了提高醋酯纤维滤嘴的吸附、过滤性能，进行了大量的改良性探究。杜泽静等22 采用二醋酯纤维素（CA）/纳米碳酸钙（CaCO3）为溶质，制备了多孔二醋酯纤维，试验表明：CaCO3的掺杂有利于纤维多孔形貌的形成，可以显著扩大纤维比表面积，明显提高滤嘴的吸附效果。研究表明，对醋酯纤维进行化学改性，可以提高对烟草烟雾中某些成分的阻留能力23。此外，在醋酯纤维为主的原料中掺混一些黏胶纤维并制成滤棒基材，也可以开发符合降焦减害要求的新型环保香烟滤嘴材料24。我国二醋酯纤维丝束市场前景广阔，进口替代空间较大，但又因其原料资源不足、生产工艺繁杂、成本高等原因，在制成香烟滤嘴时常与聚丙烯纤维结合使用。世界生产香烟滤嘴的主要原料为醋酯纤维，但其在中国的发展相比西欧国家较为落后，国内仍需加大扩产力度，提升我国自主研发能力，以此来缓解国内醋酯纤维滤嘴的市场需求。醋酯纤维丝束的发展，未来也必将是以用户的需求为出发点，在香烟转型及新型烟草等领域中持续为行业发展助力25。2.3聚丙烯纤维滤嘴在 20世纪 70年代，美国、捷克等国最先将聚丙烯（PP，商品名为丙纶）制成烟用材料，聚丙烯纤维（烟草行业中称聚丙烯丝束）的特点是密度小、强度高、伸长大、回潮率低、化学性能稳定、熔点低且成本低廉，过滤效果与醋酯纤维基本相似14。关于聚丙烯滤嘴的改性研究一直备受关注，张环等26在聚丙烯纤维上接枝丙烯酸（AA）单体，可使滤嘴过滤效率达到 65.7%，焦油和烟碱含量明显降低；王海涛等27也通过分步接枝丙烯酸单体和2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸（AMPS）单体得到的聚丙烯纤维，对烟气的过滤效果明显比改性前提高，降焦减害效果明显；葛明桥等28为了增加聚丙烯纤维的极性，提高滤嘴的吸附性能，采用热致相分离和共混纺丝方法制备改性烟用聚丙烯纤维，改性纤维与醋酯纤维形态结构类似，亲水性得到改善。穆丽娟等29则以海藻酸钠为改性剂对聚丙烯纤维进行物理涂覆，改性后的纤维滤嘴也能明显降低烟气颗粒物、焦油及烟碱含量。当然，用聚丙烯纤维制成的香烟滤嘴虽然能够有效地阻拦烟气中的自由基成分，但是成棒率低，滤嘴的接装率和硬度低，工业中多与醋酯纤维结合制成香烟滤嘴，性能得到大大的提高。如朱网云等30研制的加碳聚丙烯烟用丝束与醋酯纤维素丝束复合滤嘴棒，在吸收有害物质的性能和吸食口感上有较大的进展。2.4其他类型的香烟滤嘴近年来，在应用醋酯纤维做滤嘴的基础上，改变静电纺丝条件以制得超细醋酯纤维素纳米纤维，调节厚度和直径，提高焦油的去除效率31。与此同时，科研人员发现黏胶纤维和Lyocell纤维是香烟滤材应用的新起之秀，纤维无异味，热稳定性较好，并且具有优异的力学性能和吸湿性能32，展现了很强的降焦除害能力，有很大的发展前景；如用Lyocell纤维研制生产出来的新型滤嘴，过滤性能良好，对焦油的截148期留效率高33。目前，大多数的香烟过滤材料主要是醋酯纤维和聚丙烯纤维丝束，可以在一些产品上用黏胶纤维来代替，节省大量醋酯纤维的原料成本，而且可以拓展黏胶纤维的使用范围，促使黏胶纤维提高使用品质32。近年来，有人研制了一种新型香烟滤嘴，该香烟滤嘴采用纳米海绵-纳米硅藻泥-纳米海绵的三重过滤结构，有效滤除香烟中的焦油、尼古丁、一氧化碳等有害物质，让香烟中的丝油等有害物质得到有效的过滤，有利于人体健康，有效地缓解了因吸烟引起的咽喉肿痛、咳嗽等症状32。3结语我国是香烟生产与消费大国，消费需求量较大，且国家也在不断推动香烟行业结构升级，构建绿色产业。近年来，科研人员研发各种新型纤维材料滤嘴，目的在于阻挡、过滤烟气的特殊有害成分。生产的香烟滤嘴产品要考虑安全性能评估、烟气毒性评价、吸入感官质量评价及工艺实现评价等，保证产品的安全性和实用性。今后在香烟滤嘴的研究中，研发的重点方向依然是符合当代消费者的口感需求和环保理念。因此，在探究新型香烟滤嘴用过滤材料和吸附材料，设计滤嘴结构合理、加工生产可行的复合滤嘴上，需要不断尝试与最新技术结合，跨学科交叉融合，才能研究出更多更优越的香烟滤嘴。参考文献：1曲洁琼,强天伟,商云瑞,等.空气过滤技术发展现状J.洁净与空调技术,2016(4):79-83.2刘立全,洪广峰,洪群业.特殊滤棒减害研究进展J.中国烟草学报,2012,18(1):106-111.3孙毓临,谭英,刘明洋,等.卷烟过滤嘴降解菌的筛选及其降解效果的电镜观察J.中国烟草科学,2010,31(3):59-62.4童保云,李村,吴振玉,等.特殊滤嘴降低卷烟烟气中CO的研究进展J.安徽化工,2009,35(3):1-3,6.5董有,冯进城.河南海泡石香烟滤嘴研制实验和开发前景J.河南地质,1993(3):226-233.6曾凡龙,潘鼎.我国活性碳纤维的研究、工业化及前景()J.材料导报,2003(10):55-58.7刘立全,李维娜,王月侠,等.特殊滤嘴研究进展J.烟草科技,2004(3):17-24.8张文俊,吴清基.卷烟用过滤嘴J.产业用纺织品,1990(2):48.9王爱萍,高玉杰.卷烟过滤嘴材料J.天津造纸,2005,27(2):3.10林云.卷烟滤嘴研究进展J.科技信息,2013(25):1.11李珊红,唐奇,李彩亭,等.普通醋纤香烟滤嘴中烟碱分布模拟J.环境工程学报,2015,9(8):3955-3959.12尹振文,邹懿茂,黎延霞.对我国纤维素纤维发展的思考J.人造纤维,2006,36(5):4.13姚宗东.中国烟草醋纤企业整合研究D.北京:清华大学,2004.14李静,任继春.香烟滤嘴用纤维材料J.黑龙江造纸,2005(4):40-41.15文琼菊,聂勋载.构皮制浆的方法J.纸和造纸,1996(4):10-11.16马宇平.茶叶香味成分、茶多酚提取及在新型卷烟滤棒中的应用研究D.咸阳:西北农林科技大学,2006.17戴亚,汪长国,朱立军,等.一种复合生化制剂在卷烟减害中的应用J.烟草科技,2008(5):5-8.18包秀萍,王松峰,何雪峰,等.薄荷油微胶囊的制备及其在卷烟中的应用J.河南农业科学,2013,42(3):146-149.19刘绍华,黄泰松,邹克兴,等.罗汉果提取物在丙纶滤棒中应用的研究C/广西烟草学会2010年学术年会,2010:6.20高鑫,孙庆杰,唐荣成,等.中草药在香烟滤嘴中的应用J.科技信息,2010(35):920-921.21霍晓晖,王玉林,胡秀峰,等.卷烟滤嘴用纤维过滤材料减害降焦效果研究进展J.科技导报,2007,4(22):76-80.22杜泽静,张丽,宋晓梅,等.多孔二醋酸纤维的制备及其对烟气的吸附性能J.丝绸,2020,57(12):21-25.23王纯凤,高卫东,王鸿博.卷烟滤嘴用醋酸纤维的过滤机制与过滤性能的提高J.人造纤维,2003,33(4):23-25.24梁荷叶,吴海波,张建超,等.烟用二醋酸纤维非织造材料卷烟滤棒的研制J.产业用纺织品,2020,38(11):5-10.25马佳泰.国产烟用二醋酸纤维素丝束规格发展概述J.广东化工,2020,47(3):106,115.26张环,方殿龙,魏俊富,等.一步接枝法制备新型烟用聚丙烯纤维及性能研究J.化工新型材料,2016,44(11):156-158,162.27王海涛,魏俊富,王翱,等.应用两步接枝法制备新型改性聚丙烯滤嘴材料J.功能材料,2013,44(4):573-576,580.28葛明桥,曹远虑,李永贵.新型改性烟用聚丙烯纤维的结构和性能表征J.合成纤维,2006(11):24-27,31.29穆丽娟,魏俊富,张环,等.海藻酸钠改性聚丙烯滤嘴材料对烟气的吸附过滤研究J.天津工业大学学报,2011,30(1):8-11.30朱网云,范忠辉,荆华,等.加炭聚丙烯烟用丝束与醋酸纤维素丝束复合过滤嘴棒:203207180UP.2013-09-25.31MOLAEIPOUR 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