專利名稱：由聚合物溶液制造的高表面積微孔纖維的制作方法
背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及由聚合物溶液制造的高表面積微孔纖維，和尤其涉及用于過(guò)濾應(yīng)用的高表面積纖維，其中使用表面微孔保留固體和/或液體試劑，用于選擇性過(guò)濾，以降低某些煙塵組分。
在香煙過(guò)濾中使用的目前的乙酸纖維素(CA)纖維是通過(guò)干紡法制造的，該方法允許20-25％CA的丙酮溶液牽引或擠壓通過(guò)噴絲板的底部細(xì)孔或噴嘴，和在約5-10米長(zhǎng)的紡絲柱中，通過(guò)除去丙酮溶劑，緩慢收縮成最終的纖維形狀。在柱子中用加壓的熱空氣流干燥，由于所包含的熱量導(dǎo)致由此形成的具有諸如“R”、“I”、“Y”和“X”截面的纖維具有連續(xù)的芯截面和相對(duì)有限的外表面積，其中所述截面取決于牽引或擠壓纖維所通過(guò)的細(xì)孔的形狀。
發(fā)明概述因此，本發(fā)明的一個(gè)目的是通過(guò)形成保留固體和/或液體試劑用的微孔，增加由聚合物溶液制造的某些纖維的外表面積，在降低煙產(chǎn)品如香煙內(nèi)的某些煙塵組分中，用于選擇性過(guò)濾。
本發(fā)明另一目的是生產(chǎn)高表面積纖維的方法，在煙產(chǎn)品如香煙內(nèi)用于過(guò)濾應(yīng)用。
本發(fā)明再一目的是由聚合物溶液制造的高表面積纖維的生產(chǎn)方法，其中使用在該纖維表面上的微孔保留固體和/或液體試劑，在降低煙產(chǎn)品內(nèi)的某些煙塵組分中，用于選擇性過(guò)濾。
根據(jù)本發(fā)明，使聚合物溶液通過(guò)干紡法的噴絲板。在氣流紡柱中一定程度的干燥之后，對(duì)纖維的最初形式施用減壓快速蒸發(fā)法，在此，在纖維表面上形成聚合物的干燥表皮。在減壓下，在該表皮內(nèi)的殘留量的溶劑或發(fā)泡劑爆裂或破裂，并通過(guò)不同的微孔路徑快速離開(kāi)纖維，從而留下具有微孔腔和內(nèi)部空隙體積的高表面積纖維。對(duì)于乙酸纖維素來(lái)說(shuō)，為了保護(hù)在纖維表面內(nèi)如此形成的微孔，在蒸發(fā)法中，低于60℃的蒸發(fā)溫度很必要的。
可將該方法拓展到除乙酸纖維素之外的聚合物溶液以及除丙酮之外的溶劑和所謂破裂劑。還有，合適的纖維是由熔體聚合物紡絲原液制造的纖維，它含有在冷硬外表皮內(nèi)俘獲的空氣。可在線上或以分批方式使用低溫蒸發(fā)法。
附圖的簡(jiǎn)要說(shuō)明連同附圖，根據(jù)下述詳細(xì)說(shuō)明的閱讀，除了以上所述的那些特征和優(yōu)點(diǎn)之外，本發(fā)明的新特征和優(yōu)點(diǎn)對(duì)本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)是顯而易見(jiàn)的，在附圖中類似的參考符號(hào)是指類似的部分，和其中

圖1A是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例1生產(chǎn)的纖維的微觀表面圖象；圖1B是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例1生產(chǎn)的纖維的微觀截面視圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例2生產(chǎn)的纖維的微觀表面圖象；圖3是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例3生產(chǎn)的纖維的微觀表面圖象；圖4是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例4生產(chǎn)的部分干燥的纖維的微觀表面圖象；圖5是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例4生產(chǎn)的在約65℃下干燥的纖維的微觀表面圖象；圖6A是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例4生產(chǎn)的在約45-55℃下干燥的纖維的微觀表面圖象；圖6B是圖6A所示的纖維的微觀截面視圖。
發(fā)明詳述以下是本發(fā)明的詳細(xì)說(shuō)明和實(shí)施例。
A.CA/丙酮溶液的制備。向配有機(jī)械攪拌和玻璃塞的100ml三頸圓底燒瓶中加入50ml丙酮(Fisher Scientific，99.6％)，接著在中速攪拌下加入11.88g CA絲束纖維。在添加完之后，塞住燒瓶，和所添加的纖維緩慢溶解在溶劑內(nèi)，過(guò)夜形成均勻的白色粘稠溶液。
B.干紡法形成纖維。將約10ml上述溶液通過(guò)配有塑料管的塑料注射器緩慢轉(zhuǎn)移到10ml的擠出套筒內(nèi)。然后將套筒安裝在DACA9mm Piston Extruder Model 40000(它帶有0.75mm的圓形單一細(xì)孔模頭)上，并以20mm/min的活塞速度，在室溫下擠出。在垂直滴落到21-cm溶劑的通風(fēng)孔(venting)間隙內(nèi)之后，在鋁盤內(nèi)收集擠出的纖維，所述通風(fēng)孔間隙由兩個(gè)鼓風(fēng)噴嘴和排氣罩的組合而產(chǎn)生。通過(guò)真空烘箱或在罩內(nèi)的高氣流進(jìn)一步快速蒸發(fā)殘余的溶劑。
實(shí)施例-1在60℃真空干燥之后獲得的纖維在該實(shí)施例中，在金屬板上收集纖維，然后將它放入60℃的真空烘箱中。通過(guò)干冰阱，機(jī)械泵在該烘箱內(nèi)產(chǎn)生高真空。捕獲的溶劑快速蒸發(fā)并在纖維表面上形成微孔。圖1A和1B示出了在真空和60℃下干燥20分鐘之后所形成的纖維的微觀表面和截面視圖。顯然，形成直徑約1微米的孔。這些孔如此小，以致于僅可以在1000×圖象(1微米/刻度)下，而不是在400×圖象(2.5微米/刻度)下觀察到它們。經(jīng)實(shí)測(cè)，在儲(chǔ)存超過(guò)3個(gè)月孔結(jié)構(gòu)是穩(wěn)定的。
由于在水平位置上收集并干燥在該實(shí)施例中的纖維樣品，所以它們并不維持圖1A和1B所示的它們的圓形截面。它們各向異性地收縮成截面尺寸為25-150微米的扁平狗骨頭形狀。在該工藝中，在沒(méi)有接觸的情況下，通過(guò)垂直地處理纖維，可能將它收縮成圓形截面。僅使用該實(shí)施例和下述實(shí)施例證明改良乙酸纖維素纖維的表面孔隙率的精神，和不使用它們限制本發(fā)明的范圍。所得多孔纖維可具有任何截面形狀。
實(shí)施例-2由較低溫度蒸發(fā)工藝獲得的多孔纖維在該實(shí)施例中，進(jìn)一步以不加熱的工藝干燥上述紡絲纖維樣品。通過(guò)在沒(méi)有加熱情況下，在真空烘箱中快速抽氣，或在室溫下在高度排氣的罩內(nèi)除去殘留溶劑25分鐘。圖2示出了所得樣品的典型表面圖象。甚至在400×圖象下，直徑達(dá)3微米的較大孔清晰可見(jiàn)。顯然，溫度和壓力對(duì)纖維表面上的孔隙率的最終形成扮演著重要的角色。
實(shí)施例-3使用固體碳酸氫銨(AHC)試劑的實(shí)驗(yàn)在多孔塑料的制造中，碳酸氫銨(NH4HCO3，AHC)是已知的發(fā)泡劑。它在約60℃下分解放出CO2、NH3和H2O。在該實(shí)施例中，使用這一試劑的固體形式，在纖維內(nèi)形成大孔。纖維的制備和紡絲方案與實(shí)施例1相同。如實(shí)施例1所述，混合2.0g固體AHC粉末(Aldrich，99％)與40ml乙酸纖維素的丙酮溶液，從而啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)。在機(jī)械攪拌過(guò)夜之后，所以固體顆粒被混合到溶液內(nèi)。然后在DACA活塞式擠出機(jī)中對(duì)10ml該混合物紡絲。當(dāng)使用1.25mm的模頭時(shí)，不可能拉出連續(xù)的單絲。在以30.4mm/分的速率使用0.5mm圓橫截面模頭時(shí)，在130cm長(zhǎng)的滴落距離之后，通過(guò)人工纏繞在80-mm的筒管上，收集所形成的鄰接纖維單絲。然而，在流過(guò)模頭之前，在套筒底部上發(fā)現(xiàn)沉積著大的固體顆粒。可能是，在此情況下，僅僅小量的該試劑實(shí)際上通過(guò)模頭摻入到纖維內(nèi)。在該試劑分解和在約60℃的溫度和真空下除去殘留溶劑25分鐘之后，觀察到在纖維表面上直徑達(dá)2.5微米的孔，如圖3所示。在該實(shí)施例中形成的孔比實(shí)施例1中的那些大得多，這是因?yàn)榇嬖谛×康陌l(fā)泡劑所致。為了具有甚至更大的效果，可在不使纖維破裂的情況下，使額外的發(fā)泡劑必須流過(guò)模頭。在下述實(shí)施例中，通過(guò)使用亞微米的固體粒子形式或溶解形式的發(fā)泡劑可實(shí)現(xiàn)它。
實(shí)施例-4使用溶解的碳酸氫銨(AHC)試劑的實(shí)驗(yàn)A.NH4HCO3/H2O溶液的制備。在室溫下，在磁攪拌下，將2.0g上述AHC固體緩慢加入到含10.0g蒸餾水的燒杯中。在固體顆粒溶解之后，在室溫下，在密閉的小瓶?jī)?nèi)儲(chǔ)存所形成的溶液。
B.含NH4HCO3/H2O的CA/丙酮溶液的制備。向配有機(jī)械攪拌和玻橘塞的100ml三頸圓底燒瓶中加入50ml丙酮(FisherScientific，99.6％)，接著在中速攪拌下加入12.5g CA絲束纖維。在添加完之后，塞住燒瓶，和所添加的纖維緩慢溶解在溶劑內(nèi)，過(guò)夜形成均勻的白色粘稠溶液。然后，在劇烈的機(jī)械攪拌下，將1ml以上制備的AHC溶液加入到該溶液中。在添加之后，在使用前，持續(xù)緩和地?cái)嚢杌旌衔镏辽?小時(shí)。
C.干紡法形成大孔纖維。將約10ml上述溶液通過(guò)塑料注射器經(jīng)塑料管轉(zhuǎn)移到10ml的擠出套筒內(nèi).然后將套筒安裝在DACA 9mmPiston Extruder Model 40000(它帶有1.5mm的圓形單一細(xì)孔模頭)上，并以20mm/min的活塞速度，在室溫下擠出。在垂直滴落到130-cm預(yù)干燥的間隙內(nèi)之后，在鋁盤內(nèi)收集擠出的纖維，所述間隙由兩個(gè)鼓風(fēng)噴嘴和排氣罩的組合而產(chǎn)生。由于混合物內(nèi)的AHC分解，在這一部分干燥樣品的表面上觀察到直徑達(dá)5-10微米的大孔，如圖4所示。然而，由于存在殘留的溶劑，所以該結(jié)構(gòu)體不穩(wěn)定。在大氣壓下，在室溫下儲(chǔ)存之后，它弛豫(relax)回具有圖2所示的孔徑較小的更穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。
為了充分除去殘留溶劑，在60-65℃的溫度下，在真空烘箱內(nèi)進(jìn)一步處理105.6mg以上收集的纖維30分鐘，在除去約6％的殘留溶劑之后，獲得99.6mg干纖維。圖5示出了纖維的表面。由于加熱，所以因聚合物鏈的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致最初的大孔部分被破壞，并與實(shí)施例1相類似，弛豫回直徑約1微米的較小孔。饒有興趣的是，一些直徑為10-15微米的超大孔在該工藝中保存了下來(lái)。
為了保持所形成的孔結(jié)構(gòu)，應(yīng)當(dāng)在低溫高真空短時(shí)間內(nèi)處理纖維?？稍诩s50℃的溫度下，在5分鐘的高真空烘箱處理下有效地除去殘留溶劑(約5-7％)。例如，在45-55℃下，在真空烘箱中僅處理5分鐘1.7580g上述部分干燥的纖維，結(jié)果得到1.6333g干纖維。如圖6A和6B所示，在干纖維表面內(nèi)形成直徑為3-5微米的大孔。也發(fā)現(xiàn)該孔結(jié)構(gòu)在室溫下長(zhǎng)時(shí)間地儲(chǔ)存時(shí)是穩(wěn)定的。
總之，上述實(shí)施例證明通過(guò)快速蒸發(fā)殘留溶劑，或在干紡法之中或之后通過(guò)纖維表面的表皮吹氣，可形成直徑為1-15微米的孔。這些孔提供較高的可接近接觸表面積，用于纖維接觸氣相吸附物，和也提供內(nèi)纖維空間，容納過(guò)濾領(lǐng)域用的額外吸收劑/試劑。為了保護(hù)所形成的直徑大于1微米的孔，優(yōu)選減壓下的低溫蒸發(fā)工藝。
權(quán)利要求
1.一種乙酸纖維素纖維，它具有帶多個(gè)從表面延伸到纖維內(nèi)的微孔腔的外表面積，和該纖維具有部分內(nèi)空隙體積。
2.一種香煙過(guò)濾元件，它包括多根乙酸纖維素纖維，其中各纖維具有帶多個(gè)從表面延伸到纖維內(nèi)的微孔腔的外表面積，和固體和/或液體試劑保留在微孔腔內(nèi)用于選擇性過(guò)濾香煙。
3.一種制備乙酸纖維素纖維的方法，它包括下述步驟使乙酸纖維素的丙酮溶液通過(guò)噴絲板形成纖維，部分干燥所形成的纖維以便在該纖維的外部上產(chǎn)生表皮，和在預(yù)定程度的干燥之后，向所形成的纖維施加真空，從而引起所形成的纖維內(nèi)部的丙酮爆裂或破裂，并沿微孔路徑經(jīng)表皮離開(kāi)纖維，從而在纖維的外表面上形成延伸到纖維內(nèi)部的微孔腔。
全文摘要
一種乙酸纖維素纖維及其制備方法(圖2)，該纖維具有多個(gè)微孔腔或孔隙(圖3)的外表面積。
文檔編號(hào)D01F2/30GK1503635SQ02808531
公開(kāi)日2004年6月9日 申請(qǐng)日期2002年4月16日 優(yōu)先權(quán)日2001年4月20日
發(fā)明者薛立新, K·B·科勒, 高瓊, 科勒 申請(qǐng)人:菲利普莫里斯生產(chǎn)公司