專利名稱：一種改性的聚乳酸煙用絲束和濾棒及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于香煙過濾嘴材料及其制備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種改性的聚乳酸煙用絲束和濾棒及其制備方法。
背景技術(shù)：
香煙過濾嘴是卷煙的一個重要組成部分。作為煙用過濾嘴材料，除了具有良好的可紡性能，還有很多獨特要求:(1)由它卷制而成的濾棒無毒、無味、安全性好；(2)絲束穩(wěn)定性好，能滿足濾棒成型設(shè)備和工藝要求；(3)具有適宜的剛性和卷曲性能，使之具有良好的彈性和開松性，在較少絲束填充量的情況下，通過添加增塑劑或膠黏劑后，濾棒滿足一定的硬度、吸阻和外觀質(zhì)量要求，有較高的出棒率，具有實用價值；(4)卷煙抽吸過程中，濾嘴不塌陷、變形；(5)濾棒對煙氣有害成分具有較高的過濾效率。迄今為止，很多纖維已經(jīng)實現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)，但真正商品化的香煙過濾嘴材料只有二醋酸纖維素和聚丙烯兩個品種。二醋酸纖維素纖維(醋纖)是一種性能優(yōu)良、應(yīng)用普遍的過濾嘴材料，它選材于多年生的優(yōu)質(zhì)木材，采用干法紡絲的方式，制得適宜于卷煙用的過濾絲束。醋纖分子支鏈上含有強極性的極性基團，絲束表面具有微孔和粗糙感，所以醋纖絲束對煙氣中的有害成分，同時具有物理吸附和化學(xué)吸附雙重效果，其過濾和吸附性能優(yōu)異；而且，在生產(chǎn)濾棒的過程中，通過添加三醋酸甘油酯進行增塑、粘結(jié)，在較少絲束填充量的情況下，濾棒滿足硬度、吸阻等質(zhì)量要求，有較高的出棒率。但生產(chǎn)二醋酸纖維素的原材料是多年生的優(yōu)質(zhì)木材，我國目前不能自給，主要依靠進口，更重要的是，隨著國內(nèi)煙草企業(yè)產(chǎn)量的不斷擴大，對醋纖濾棒的需求量與日俱增，但目前國內(nèi)的醋纖絲束生產(chǎn)企業(yè)并不能完全滿足煙草企業(yè)的需求，造成醋纖供應(yīng)緊張的局面，在一定程度上限制了我國煙草行業(yè)的進一步發(fā)展。此外，木漿生產(chǎn)、纖維素酯化和醋酸纖維素紡絲伴隨較嚴重的污染問題，生產(chǎn)成本高，價格昂貴，與木材相比，醋酸纖維素的生物降解性能顯著劣化。聚丙烯煙用過濾絲束作為我國卷煙行業(yè)特有的一種過濾材料，在開發(fā)初期具有原材料充足，價格低廉等優(yōu)點而得到大力發(fā)展，并為我國煙草行業(yè)降本增效作出了巨大貢獻。聚丙烯原料取自石油，采用熔融紡絲的方式，制得的纖維絲束在生產(chǎn)濾棒的過程中，通過添加專用的膠粘劑進行粘結(jié)，在較少絲束填充量的情況下，濾棒滿足硬度、吸阻等質(zhì)量要求，有較高的出棒率。但由于聚丙烯是一種結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定的非極性物質(zhì)，本身不帶有任何極性基團，絲束表面光滑，其吸附能力遠不如醋酸纖維，煙氣過濾效果差，抽吸時有較強的辛辣味，一般只能用于低檔卷煙上；同時，聚丙烯是長鏈碳氫化合物，不能生物降解，對環(huán)境造成嚴重污染；此外，石油資源 日益枯竭，原料價格上漲快，聚丙烯的價格優(yōu)勢正逐步喪失。近年來，隨著煙草行業(yè)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的調(diào)整，我國香煙檔次不斷提高，低檔卷煙用量逐年下降，丙纖用量逐年降低，并趨向逐步退出市場。無論從資源的角度，還是減少環(huán)境污染的角度，尋找一種綜合性能接近醋纖，價格又相對低廉的新型煙用絲束，替代聚丙烯材料用于中低檔卷煙的生產(chǎn)，并部分替代醋纖用于中高檔卷煙的生產(chǎn)，以彌補醋纖供應(yīng)的不足，是煙草行業(yè)急需解決的問題。聚乳酸是一種新型環(huán)保材料，具有良好的循環(huán)再生性和生物降解性。它以可再生的植物資源(玉米、小麥、甜菜、大米、土豆、山芋等)以及有機廢棄物(玉米芯或其他農(nóng)作物的根、莖、葉、皮等)為原料，擺脫了對木材和石油資源的依賴，符合國際社會可持續(xù)發(fā)展的要求；聚乳酸的生產(chǎn)能耗低于聚丙烯及二醋酸纖維素等各種纖維，是一種低資源環(huán)境負荷的高分子材料；聚乳酸能夠完全生物降解，在自然環(huán)境中經(jīng)過一定時間會自然分解為水和二氧化碳，不造成環(huán)境污染，產(chǎn)生的二氧化碳通過植物的光合作用得到重新利用，成為一個永恒的、封閉的碳循環(huán)系統(tǒng)，是名副其實的“綠色材料”;聚乳酸具有良好的加工性能，可采用熔融紡絲法生產(chǎn)；聚乳酸纖維與醋纖結(jié)構(gòu)相似，分子表面含有豐富的極性基團；對極性物質(zhì)具有較強的親合力，可以與焦油組分和低分子物質(zhì)進行化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)物牢牢留在纖維表面，同時，絲束表面具有微孔和粗糙感，在對煙氣的吸附過程中，同時具有物理吸附和化學(xué)吸附雙重效果，該絲束生產(chǎn)的濾棒對煙氣中的有害物質(zhì)過濾效果明顯。因此，聚乳酸有望成為制備煙用過濾嘴絲束的合適材料。將聚乳酸纖維產(chǎn)品用作煙用過濾材料，具有資源豐富、優(yōu)異的環(huán)保性、良好的吸附性、可靠的安全性、良好的成型加工性及經(jīng)濟性等綜合優(yōu)勢；產(chǎn)品的推廣應(yīng)用，對于我國煙草行業(yè)拓寬原料渠道、降本增效具有積極的現(xiàn)實意義，將會產(chǎn)生良好的社會經(jīng)濟效益，并將帶動我國聚乳酸材料整個產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展。目前國內(nèi)已有幾篇關(guān)于聚乳酸煙用絲束的專利，在專利號:200610131699.0《一種香煙過濾嘴絲束及其制備方法》中介紹了聚乳酸樹脂原料紡制聚乳酸煙用絲束的工藝和方法；201010127357.8《一種可降解卷煙用絲束及其制備以及濾棒的制備方法》中介紹了一種可降解卷煙用絲束，其原料為含有結(jié)晶促進劑的聚左旋丙交酯、聚右旋丙交酯或兩者共混物中的任意一種，絲束通過開松、上膠制成濾棒。但上邊兩篇專利中存在一些問題，在《一種香煙過濾嘴絲束及其制備方法》專利中，所用聚乳酸樹脂的右旋乳酸單元的重量百分比為3-7%，結(jié)晶度高，所制得絲束無法被煙用濾棒增塑劑三醋酸甘油酯溶脹，因此，需要通過較高的絲束填充量來使濾棒硬度達到要求，導(dǎo)致聚乳酸絲束的出棒率較低，提高了聚乳酸濾棒的成本。在《一種可降解卷煙用絲束及其制備以及濾棒的制備方法》專利中，采用聚乳酸濾棒成型時，采用水性膠黏劑對絲束進行粘結(jié)成棒，這就存在三個問題:(I)所用濾棒成型機為施加水性膠黏劑的國產(chǎn)濾棒成型機，成型速度慢；(2)水性膠黏劑中可能含有一些有機揮發(fā)化合物，存在安全隱患；(3)濾棒需要在烘箱中進行烘干，增加了聚乳酸濾棒加工工序和成本。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個目的就是針對上述存在的問題，提供一種改進的聚乳酸煙用絲束，該絲束表面結(jié)晶度降低，可采用煙用濾棒增塑劑三醋酸甘油酯進行濾棒成型，在較低的絲束填充量下，使濾棒硬度達到87%以上，具有較高的實用價值。本發(fā)明所依據(jù)的科學(xué)原理在于:通過光學(xué)純度為94-99%，左旋乳酸單元的摩爾比為97%-99.5%的聚乳酸與其他兩種左旋乳酸單元摩爾比較低的聚乳酸(光學(xué)純度為50-82%，左旋乳酸單元的摩爾比為75-91%的聚乳酸和光學(xué)純度為0_20%，左旋乳酸單元的摩爾比為40-60%的聚乳酸)進行混合，使聚乳酸絲束中左旋乳酸單元所占的摩爾比大幅下降，從而導(dǎo)致聚乳酸絲束表面的乳酸分子排列規(guī)整度下降，引起聚乳酸絲束表面的結(jié)晶度有所降低，使三醋酸甘油酯可對絲束表面起到溶脹作用，使該種絲束在濾棒成型時可在較低的絲束填充量下，硬度達到87%以上，提高了絲束的出棒率。該絲束具有良好性價比和實用價值。本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的:
一種改性的聚乳酸煙用絲束，是由PLA-1、PLA-2和PLA-3三種原料中的至少兩種以上經(jīng)加熱熔融混合，經(jīng)過牽伸、卷曲、烘干定型工序制備而成，三種原料的比例為PLA-1: PLA-2: PLA-3 為 0-80%: 0-90%: 0-90% ；
所述PLA-1:光學(xué)純度為94-99%，左旋乳酸單元的摩爾比為97%_99.5%，重均分子量為5-20萬，熔點范圍為160-190 °C，在190 °C和2.16Kg負荷下測定的熔體熔融指數(shù)在
5-30g/10min，結(jié)晶度為 35-55% ；
所述PLA-2:光學(xué)純度為50-82%，左旋乳酸單元的摩爾比為75_91%，重均分子量為5_20萬，熔點范圍為100-130°C，在190°C和2.16Kg負荷下測定的熔體熔融指數(shù)在5_30g/10min，結(jié)晶度為2-12% ；
所述PLA-3:光學(xué)純度為0-20%，左旋乳酸單元的摩爾比為40-60%，重均分子量為5_20萬，熔點范圍為80-120°C，在190°C和2.16Kg負荷下測定的熔體熔融指數(shù)在5_30g/10min，結(jié)晶度為0-5%。三種原料的比例優(yōu)選為PLA-1: PLA-2: PLA-3 為 15-80: 15-80: 5-50 改性的聚乳酸煙用絲是通過以下具體方法制備而成: (1)將結(jié)PLA-1干燥至水分小于200ppm，干燥溫度60 120°C，干燥時間4 8小時，將PLA-2干燥至水分小于200ppm，干燥溫度50 60°C，干燥時間8 16小時，同時將PLA-3干燥至水分小于200ppm,干燥溫度50 60°C,干燥時間8 16小時；
(2)上述三種聚乳酸樹脂加熱熔融混合后送入紡絲系統(tǒng)，在190 220°C熔融、過濾，經(jīng)計量泵定量輸入紡絲組件；熔體經(jīng)噴絲板擠出；噴絲板孔數(shù)為8000 15000，噴絲孔外形為三葉(Y)型；
(3)采用工藝空調(diào)冷卻裝置對新紡出的絲束進行冷卻成型，冷卻風(fēng)溫10 20°C;通過轉(zhuǎn)動的上油輪將油劑(ΤΑΚΕΜ0Τ0 0IL&FAT C0.，LTD公司的DELION牌油劑)涂覆在絲束表面以改善后道可加工性；
(4)在適宜的卷繞速率下對絲束卷繞后暫存于盛絲桶中，卷繞速率控制在300 1500m/min ；
(5)在一定溫度的水浴中對絲束進行牽伸，牽伸溫度為50 90°C，牽伸倍率為2 3.5
倍;
(6)牽伸后的絲束進入卷曲機進行卷曲，卷曲溫度為85 95°C;
(7)卷曲后的絲束烘干定型后得到本發(fā)明的聚乳酸煙用絲束，烘干定型溫度在60 90°C，烘干定型時間10 15min。一種利用上述聚乳酸煙用絲束制備濾棒的方法如下:將聚乳酸絲束通過YL21、KDF-2、KDF-3或KDF-4等濾棒成型機進行成型，絲束經(jīng)開松后，施加三醋酸甘油酯作為濾棒增塑劑，增塑劑添加量按重量百分比計為絲束的4-12%wt，制備的濾棒放于常溫下即可固化。該聚乳酸濾棒中絲束粘結(jié)良好，在較低的絲束填充量下，硬度在87%以上，接裝卷煙后與醋纖濾棒卷煙相比，煙氣常規(guī)成分釋放量接近，感官質(zhì)量有所提高。具體對比檢測指標如表1-3:
表1不同絲束成型后的濾棒指標(24.1mmX 120mm)
權(quán)利要求
1.一種改性的聚乳酸煙用絲束，其特征在于:是由PLA-1、PLA-2和PLA-3三種原料中的至少兩種以上經(jīng)加熱熔融混合，經(jīng)過牽伸、卷曲、烘干定型工序制備而成，三種原料的比例為 PLA-1: PLA-2: PLA-3 為 0-80%: 0-90%: 0-90% ； 所述PLA-1:光學(xué)純度為94-99%，左旋乳酸單元的摩爾比為97%_99.5%，重均分子量為5-20萬，熔點范圍為160-190 °C，在190 °C和2.16Kg負荷下測定的熔體熔融指數(shù)在5-30g/10min，結(jié)晶度為 35-55% ； 所述PLA-2:光學(xué)純度為50-82%，左旋乳酸單元的摩爾比為75_91%，重均分子量為5_20萬，熔點范圍為100-130°C，在190°C和2.16Kg負荷下測定的熔體熔融指數(shù)在5_30g/10min，結(jié)晶度為2-12% ； 所述PLA-3:光學(xué)純度為0-20%，左旋乳酸單元的摩爾比為40-60%，重均分子量為5_20萬，熔點范圍為80-120°C，在190°C和2.16Kg負荷下測定的熔體熔融指數(shù)在5_30g/10min，結(jié)晶度為0-5%。
2.根據(jù)權(quán)利要求1 所述的改性的聚乳酸煙用絲束，其特征在于:三種原料的比例為PLA-1: PLA-2: PLA-3 為 15-80: 15—80: 5-50
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的改性的聚乳酸煙用絲束，其特征在于:改性的聚乳酸煙用絲是通過以下具體方法制備而成: (I)將結(jié)PLA-1干燥至水分小于200ppm，干燥溫度60 120°C，干燥時間4 8小時，將PLA-2干燥至水分小于200ppm，干燥溫度50 60°C，干燥時間8 16小時，同時將PLA-3干燥至水分小于200ppm,干燥溫度50 60°C,干燥時間8 16小時； 上述三種聚乳酸樹脂加熱熔融混合后送入紡絲系統(tǒng)，在190 220°C熔融、過濾，經(jīng)計量泵定量輸入紡絲組件；熔體經(jīng)噴絲板擠出；噴絲板孔數(shù)為8000 15000，噴絲孔外形為三葉(Y)型； (3)采用工藝空調(diào)冷卻裝置對新紡出的絲束進行冷卻成型，冷卻風(fēng)溫10 20°C ;通過轉(zhuǎn)動的上油輪將油劑涂覆在絲束表面以改善后道可加工性； 在適宜的卷繞速率下對絲束卷繞后暫存于盛絲桶中，卷繞速率控制在300 1500m/min ； 在一定溫度的水浴中對絲束進行牽伸，牽伸溫度為50 90°C，牽伸倍率為2 3.5倍; 牽伸后的絲束進入卷曲機進行卷曲，卷曲溫度為85 95°C ; 卷曲后的絲束烘干定型后得到本發(fā)明的聚乳酸煙用絲束，烘干定型溫度在60 90°C，烘干定型時間10 15min。
4.一種利用權(quán)利要求1所述聚乳酸煙用絲束制備濾棒的方法，其特征在于:將聚乳酸絲束通過YL21、KDF-2、KDF-3或KDF-4等濾棒成型機進行成型，絲束經(jīng)開松后，施加三醋酸甘油酯作為濾棒增塑劑，增塑劑添加量按重量百分比計為絲束的4-12%wt，制備的濾棒放于常溫下即可固化。
全文摘要
一種改性的聚乳酸煙用絲束和濾棒及其制備方法，其中改性的聚乳酸煙用絲束是由PLA-1、PLA-2和PLA-3三種原料中的至少兩種以上經(jīng)加熱熔融混合，經(jīng)過牽伸、卷曲、烘干定型工序制備而成；其有益效果是將三種聚乳酸按一定比例進行混合，可使原料中左旋含量下降，絲束表面結(jié)晶度降低，絲束表面結(jié)構(gòu)變的疏松、無序，因此該絲束在濾棒成型時施加三醋酸甘油酯增塑劑后，可使絲束粘結(jié)且溶脹，在較低的絲束填充量下，硬度達到87%以上，具有實用價值。經(jīng)分析檢測，本發(fā)明提供聚乳酸絲束所制濾棒，與醋纖濾棒卷煙相比，煙氣常規(guī)成分釋放量接近，感官質(zhì)量有所提高。此外，由于聚乳酸具有生物可降解的特點，可減少對環(huán)境造成的污染。
文檔編號D01D1/04GK103103633SQ20131004881
公開日2013年5月15日 申請日期2013年2月7日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月7日
發(fā)明者劉惠民, 王曉輝, 趙獻忠, 楊松, 孫培健, 聶聰, 包旭東, 王濤, 何映鳴 申請人:中國煙草總公司鄭州煙草研究院, 江蘇天圣達集團無錫新合纖有限公司, 紅塔煙草(集團)有限責(zé)任公司