专利名称：可生物降解的烟用纤维材料及香烟过滤嘴的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种烟用纤维材料及利用该纤维材料所制成的香烟过滤嘴，所述烟用 纤维材料和香烟过滤嘴采用经非内酯单体共聚改性的聚乳酸(PLA)聚合物为基材树脂，具 有优良的生物降解性。
背景技术：
香烟过滤嘴具有过滤、阻挡和吸附烟气中烟碱、焦油等有害成分的作用，好的过滤 嘴材料除具有上述作用外，还应该能改善烟气的口感，减少烟气对口腔的刺激及对人体健 康的伤害。作为一个比较成熟的技术，目前用于制造香烟过滤嘴的材料一般是以醋酸纤维 素纤维和聚丙烯纤维为原料，从加工性能和最终生产过滤嘴的综合使用性能考虑，以醋酸 纤维素纤维为首选，在中高档卷烟中多使用醋酸纤维素纤维滤嘴。在香烟吸完后剩下的过滤嘴部分是要丢弃的，而醋酸纤维素纤维和聚丙烯纤维在 自然环境中很难被生物降解，香烟在背负有害人体健康的罪名的基础上，同时还造成了对 环境的污染。人类不能完全离开香烟，除了减少香烟本身对人体的危害以外，解决滤嘴丢弃 带来的环境污染问题就成为香烟行业必须面对的课题。另一方面，醋酸纤维素纤维是以优质木材为原料得到的化工产品，从木材到纤维 素再到酯化的醋酸纤维素需要消耗大量的木材原料，而生产环节中也伴随着很多污染问 题。所以，无论是从木材资源匮乏，还是从改善环境污染角度出发，寻找替代现有的醋 酸纤维素和聚丙烯纤维原料的可生物降解材料，制造出可降解的香烟过滤嘴，至少在环境 保护方面降低香烟生产所带来的危害，是香烟生产行业急需解决的问题。香烟过滤嘴的生产工艺主要包括对原料实施熔融纺丝制成烟用丝束，以及增塑定 型制棒最终加工成过滤嘴棒的工艺过程，原料的可纺性能，即，是否容易纺成细旦纤维，以 及纤维丝束的牵伸性能和粘合效果，最终都将影响滤棒和滤嘴的综合性能，包括滤过性能， 以及外观、硬度和空阻等机械性能。醋酸纤维素纤维就是由于这些性质的优异，才被选择成 为香烟过滤嘴的主要加工原料。在寻找其替代材料时，既具有生物降解性，还必须满足过滤 嘴棒加工要求，是缺一不可的二个条件。乳酸类聚合物，例如聚乳酸(PLA)或相关共聚物在自然条件下或人体条件下可完 全生物降解，早已是公知的可降解材料。中国专利申请200610131699. 0和200710055310. 3 中公开了一种利用乳酸类聚合物树脂制造香烟过滤嘴丝束纤维以及烟用滤棒的技术。虽 然该在先公开的专利申请教导了乳酸类聚合物可以用于香烟过滤嘴的加工，且与已经商业 化的醋酸纤维素滤棒和聚丙烯滤棒相比，所述聚乳酸香烟滤棒不仅具有可完全生物降解和 生产成本低廉的优势，而且制成的滤棒在滤过性能和物理机械性能方面都显示良好的结 果，但是从其说明书记载内容可以看到，该技术方案中采用的主体树脂是聚乳酸的一个规 格或多个规格的混合物，或是丙交酯与己内酯、丙交酯，或丙交酯与己内酯和乙交酯的共聚 物，这些树脂都是由内酯聚合而成，制备的聚合物是无规聚合物，这种材料脆性大，易水解，加工时要求材料的含水量低于万分之零点五，而且这种材料耐热性能差，热变型温度很低 (不到60°C )。由于烟用丝束需要一定的柔性和较好的形变，同时也要求具有较高的耐热 性，对于香烟企业工业生产上述在先公开的乳酸类聚合物香烟嘴棒原料仍有很多不尽人意 和有待改进的地方。
发明内容
本发明主要解决的技术问题在于提供一种可生物降解的烟用纤维材料，以及利用 该纤维丝束加工而成的香烟过滤嘴，利用非内酯单体共聚改性聚乳酸为原料，材料的加工 和韧性、耐热性能等使用性能显著提高，所提供的香烟过滤嘴具有与目前通用的香烟过滤 嘴性能相当，而丢弃的烟蒂可被环境中微生物分解，利于对环境的保护。本发明还提供了制造上述可生物降解的烟用纤维材料及香烟过滤嘴的方法，针对 所选择的非内酯单体共聚改性聚乳酸原料的特殊性质，摸索和提出了对制造工艺的条件和 参数的确定，确保所制造的香烟过滤嘴产品能达到目前通用的香烟过滤嘴的性能标准。本发明提供了一种可生物降解的烟用纤维材料，其原料组成包括90-100wt%的非 内酯单体共聚改性聚乳酸和0-10wt%的稳定剂，所述非内酯单体共聚改性聚乳酸为分子链 中含有总链节数的1-30%的非内酯型单体链节，其余为聚乳酸链节的高分子聚合物，且其 重均分子量为5-35万，分散指数1. 2-3. 0，该烟用纤维材料是所述原料经熔融纺丝工艺加 工而成。在前述公开技术的基础上，本案发明人的进一步研究发现，非内酯单体共聚改性 聚乳酸类的共聚聚乳酸较均聚聚乳酸的韧性有显著的提高，具有更好的加工性能和使用性 能，不仅对环境水气要求较低，而且耐热性能也有一定能够程度的提高。另一方面，由于共 聚链节的引入，利用这种聚合物材料制备得到的嘴棒对烟气中有害物质的吸附性也有显著提尚。在上述研究结果的基础上，本发明的实施方案中，所述非内酯单体共聚改性聚乳 酸分子链中的非内酯单体链节是由非内酯型且能与乳酸实现共聚的单体物质聚合得到的， 包括乙二醇、丙二醇、乙醇酸、乙二醇单甲醚等或其混合物。例如可以选择乙二醇、乙醇酸等 或其混合物。上述非内酯单体共聚改性聚乳酸聚合物可以按照很多已经公开的方法使按一定 比例混合的单体原料聚合得到，很容易地制备具有所要求的链节比例的共聚产物，也可以 在公开文献及相关聚合反应的基础理论教导下通过聚合反应、扩链反应等化学过程实现非 常方便地制备得到，且不同链节之间至少有一个化学键连接。例如按照发明专利申请CN 200610016643. 0中公开的聚合反应方法，将乳酸与所选择确定的非内酯单体按照要求的比 例实现共聚。本发明提供的烟用纤维材料(丝束)所利用的原料中，除上述非内酯单体共聚改 性聚乳酸聚合物材料外，还可以添加适当的稳定剂，所述的稳定剂是指能提高过滤嘴棒中 非内酯单体共聚改性聚乳酸聚合物原料在加工、储存和使用过程中稳定性的物质，包括但 不限于热稳定剂、光稳定剂和抑酸剂，例如可以包括磷酸三甲酯、磷酸二乙酯、磷酸三苯酯、 磷酸二苯酯、亚磷酸三苯酯、亚磷酸二苯酯、亚磷酸铵、抗氧剂1010(四[亚甲基3-(3'， 5' -二叔丁基-4-羟苯基)丙酸酯]甲烷)、抗氧剂1076 (β-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸正十八碳醇酯)、抗氧剂1425(双(3，5_ 二叔于基-4-羟基苄基磷酸单乙酯)钙)、 抗氧剂1222 (3，5- 二叔丁基-4-羟苯基磷酸二乙酯)、氢氧化镁、氢氧化铝、氧化钛、氧化钙 等或它们的任意混合物。优选采用的稳定剂为磷酸三甲酯、磷酸三苯酯、亚磷酸三苯酯、抗 氧剂1010、抗氧剂1076、抗氧剂1222、抗氧剂1425、氧化钛、氢氧化镁或它们的任意混合物。发明人的研究结果显示，满足以上定义的非内酯单体共聚改性聚乳酸聚合物材料 具有良好的成型加工性能，因而按照目前对聚丙烯纤维的类似纺丝工艺可以制造满足香烟 过滤嘴标准的烟用纤维材料丝束。在此基础上，本发明进一步提供了一种利用该烟用纤维丝束为原料，经定型加工 制成的可生物降解的香烟过滤嘴棒，该过滤嘴棒产品在具有可生物降解性外，还具有较好 的韧性、耐热性能等使用性能。本发明同时还提供了设置有上述以非内酯单体共聚改性聚乳酸聚合物材料为原 料的可生物降解过滤嘴的香烟产品，吸烟者丢弃的过滤嘴在自然环境中能短时间内被分 解，在满足香烟生产的同时也解决了目前香烟遗弃物对环境的污染影响。制造本发明可生物降解的烟用纤维丝束的方法包括如下步骤将原料进行熔融纺丝，设定纺丝机的螺杆温度180°C -240°C，使挤出物料流经过 滤器、箱体、计量泵和直管后，通过喷丝板喷丝，控制过滤器温度170°C -250°C，箱体温度 1700C _250°C，直管温度170°C _250°C，对喷出的丝以干燥空气冷却，冷却温度为0°C -50°C；冷却后的丝束经涂覆油剂、慢牵引机绕卷、蒸汽箱牵引、快牵引机绕卷以及皮带输 送机的卷绕牵引，油剂是浓度为0. 8% -1%的纤维表面处理剂(例如聚乙二醇、乙醇胺甲 酯、壬基酚类表面活性剂等)的水溶液，慢牵引机的辊卷绕速度200-1500m/min，快牵引机 的辊转速400-2500r/min，频率25-50HZ，皮带输送机喂入轮速度200-1500r/min，频率为 30-60HZ ；将从皮带输送机牵引出来的丝束在水温为40°C -90°C的水槽中水浴牵伸，然后经 卷曲和干燥定型，得到的丝束即为所述可生物降解的烟用纤维材料。如前面所述，为了提高过滤嘴棒中非内酯单体共聚改性聚乳酸聚合物原料在加 工、储存和使用过程中的稳定性，在制造丝束的原料组成中还可以包括适量的稳定剂，利用 该混合原料纺丝前，还需要先实施混料制粒，即，原料组成中，所述非内酯单体共聚改性聚 乳酸含量为> 90%但< 100%，稳定剂含量> 0但< 10%时，所述制造方法还包括将非内酯单体共聚改性聚乳酸和稳定剂干燥后混合均勻，进行挤出制粒，挤出机 螺筒温度为160-240°C。实际操作中要求原料的含水率低于lwt%。，通常可以在40-60°C、 更优选在50-55°C的环境中干燥4-8小时即可满足要求；而挤出机螺筒温度优选为 190-220°C。一般可使用双螺杆挤出机，根据物料的熔融特性在上述温度范围内分段设定合 适的螺筒温度，实现制粒，以提供制造香烟过滤嘴棒的专用料。根据所采用的改性共聚乳酸聚合物原料的性质，本发明有针对性地确定了的制造 烟用丝束材料的方法，其具体方案可以为，熔融纺丝工序中，挤出机螺杆温度190-230°C ；卷绕牵引工艺中，各参数的设定可以在以上范围内根据物料的具体性质以及设 备运转情况进行调整，例如，慢牵引机的辊卷绕速度400-900m/min;快牵引机的辊转速 为1000-2000r/min，频率为35-40HZ ；皮带输送机喂入轮速度为500_1000r/min，频率为 38-42HZ。
上述混料制粒、纺丝及卷绕牵伸的具体操作和设备以及没有特别说明的处理剂均 为烟用丝束生产中的公知和常规技术。本发明进一步提供了采用上述改性共聚乳酸聚合物烟用丝束制造可生物降解的 香烟过滤嘴的方法，该方法包括对所述丝束开松后喷施该丝束重量0. 5 15%的粘合增塑剂使丝束被均勻上胶；在烟用嘴棒成形器内将所述上了胶的丝束揉卷成圆条形，用滤棒盘纸包裹定型， 成为嘴棒料条，丝束中的纤维抱合在一起，用手撕开可以明显看到丝束的纤维已经形成连 通的三维网络嘴棒料条；用切割刀将上述嘴棒料条切割成规定长度，即得到所述可生物降解香烟嘴棒；上述粘合增塑剂是指能使所述非内酯单体共聚改性聚乳酸嘴棒中的纤维实现有 效交联、粘接、膨胀或蓬松的物质，包括但不限于对苯二甲酸二辛酯、对苯二甲酸二丁酯、偏 苯三酸三辛酯、偏苯三酸三癸酯、偏苯三酸三甘油酯、磷酸甘油酯、、乳酸甘油酯、柠檬酸丁 酯、二甘醇二醋酸酯、碳酸丙烯酯、乙二醇单乙醚、水基淀粉胶、羧甲基淀粉胶、丙烯酸酯胶、 聚乙二醇胶、聚乙烯醇胶、蛋白胶、胶原胶等或它们的任意混合物。优选地，所述粘合增塑剂包括偏苯三酸三甘油酯、二甘醇二醋酸酯、乳酸甘油酯、 羧甲基淀粉胶、丙烯酸酯胶、聚乙二醇胶、胶原胶或它们的任意混合物。本发明的具体方案中，所用粘合增塑剂以适当的溶剂溶解，该溶剂以能有效溶解 粘合增塑剂为选择标准，优选以乙醇或乙醇水溶液为溶剂。本发明所提供的改性聚乳酸材料烟用嘴棒具有良好的生物降解性能，接到烟上后 在正常等储存和运输条件下可以保证在2年内力学、外观。口感等方面性能基本没有变化， 完全符合香烟要求，而在香烟使用后废弃烟蒂进入垃圾等富含微生物环境时三个月内降解 率可超过75%，六个月内可完全降解。本发明得到烟用嘴棒在安全性能，吸阻、重量、硬度、 圆周等理化指标完全符合烟用嘴棒要求。经吸收试验，本发明的烟用过滤嘴棒在香烟抽吸过程中对于对人体有害物质的吸 附性能优于目前使用的聚丙烯纤维嘴棒和醋酸纤维素纤维嘴棒(检测结果见下表)。非内酯单体共聚改性聚乳酸及醋酸纤维素嘴棒的烟气指标对比
权利要求
1.一种可生物降解的烟用纤维材料，其原料组成包括90-100wt%的非内酯单体共聚 改性聚乳酸和0-10wt%的稳定剂，所述非内酯单体共聚改性聚乳酸为分子链中含有总链 节数的1-30%的非内酯型单体链节，其余为乳酸链节的高分子聚合物，且其重均分子量为 5-35万，分散指数1. 2-3. 0，该烟用纤维材料是所述原料经熔融纺丝工艺加工而成。
2.如权利要求1所述的可生物降解的烟用纤维材料，其中，所述非内酯单体共聚改性 聚乳酸分子链中的非内酯单体链节是由非内酯型且能与乳酸实现共聚的单体物质聚合得 到的，包括乙二醇、丙二醇、乙醇酸、乙二醇单甲醚或其混合物。
3.如权利要求1所述的可生物降解的烟用纤维材料，其中，所述稳定剂包括磷酸三甲 酯、磷酸二乙酯、磷酸三苯酯、磷酸二苯酯、亚磷酸三苯酯、亚磷酸二苯酯、亚磷酸铵、抗氧剂 1010、抗氧剂1076、抗氧剂1425、抗氧剂1222、氢氧化镁、氢氧化铝、氧化钛、氧化钙或它们 的任意混合物。
4.如权利要求3所述的可生物降解的烟用纤维材料，其中，所述稳定剂包括磷酸三甲 酯、磷酸三苯酯、亚磷酸三苯酯、抗氧剂1010、抗氧剂1076、抗氧剂1222、抗氧剂1425、氧化 钛、氢氧化镁或它们的任意混合物。
5.一种可生物降解的香烟过滤嘴棒，该香烟过滤嘴棒是利用权利要求1-4任一项所述 的可生物降解的烟用纤维材料加工而成。
6.一种设置有过滤嘴的香烟，所述过滤嘴为权利要求5所述的可生物降解的香烟过滤 嘴棒加工而成。
7.权利要求1-4任一项所述的可生物降解的烟用纤维材料的制造方法，该方法包括如 下步骤将原料进行熔融纺丝，设定纺丝机的螺杆温度180°C -240°C，使挤出物料流经过滤 器、箱体、计量泵和直管后，通过喷丝板喷丝，控制过滤器温度170°C -250°C，箱体温度 1700C _250°C，直管温度170°C _250°C，对喷出的丝以干燥空气冷却，冷却温度为0°C -50°C；冷却后的丝束经涂覆油剂、慢牵引机绕卷、蒸汽箱牵引、快牵引机绕卷以及皮带输送 机的卷绕牵引，油剂浓度为0.8% -1%纤维表面处理剂的水溶液，慢牵引机的辊卷绕速度 200-1500m/min，快牵引机的辊转速400-2500r/min，频率25-50HZ，皮带输送机喂入轮速度 200-1500r/min，频率为 30-60HZ ；将从皮带输送机牵引出来的丝束在水温为40°C -90°C的水槽中水浴牵伸，然后经卷曲 和干燥定型，得到的丝束即为所述可生物降解的烟用纤维材料。
8.如权利要求7所述的可生物降解的烟用纤维材料的制造方法，其中，原料组成中，所 述非内酯单体共聚改性聚乳酸含量为> 90 %但< 100 %，稳定剂含量> 0但< 10 %，所述制 造方法还包括将非内酯单体共聚改性聚乳酸和稳定剂干燥后混合均勻，进行挤出制粒，挤出机螺筒 温度为 160-240°C。
9.如权利要求7或8所述的可生物降解的烟用纤维材料的制造方法，其中，熔融纺丝工 序中，挤出机螺杆温度190-230°C。
10.权利要求8所述的可生物降解的香烟过滤嘴的制造方法，该方法包括按照权利要求7-9中任一项所述的方法制造可生物降解的烟用纤维材料丝束；对所述丝束开松后喷施该丝束重量0. 5 15%的粘合增塑剂使丝束被均勻上胶；在烟用嘴棒成形器内将所述上了胶的丝束揉卷成圆条形，用滤棒盘纸包裹定型，成为 嘴棒料条；用切割刀将上述嘴棒料条切割成规定长度，即得到所述可生物降解香烟嘴棒；上述粘合增塑剂包括对苯二甲酸二辛酯、对苯二甲酸二丁酯、偏苯三酸三辛酯、偏苯三 酸三癸酯、偏苯三酸三甘油酯、磷酸甘油酯、乳酸甘油酯、柠檬酸丁酯、二甘醇二醋酸酯、碳 酸丙烯酯、乙二醇单乙醚、水基淀粉胶、羧甲基淀粉胶、丙烯酸酯胶、聚乙二醇胶、聚乙烯醇 胶、蛋白胶、胶原胶或它们的任意混合物。
11.如权利要求10所述的可生物降解的香烟过滤嘴的制造方法，其中，所述粘合增塑 剂包括偏苯三酸三甘油酯、二甘醇二醋酸酯、乳酸甘油酯、羧甲基淀粉胶、丙烯酸酯胶、聚乙 二醇胶、胶原胶或它们的任意混合物。
12.如权利要求10或11所述的可生物降解的香烟过滤嘴的制造方法，其中，所用粘合 增塑剂以乙醇或乙醇水溶液为溶剂。
全文摘要
本发明提供一种可生物降解的烟用纤维材料及香烟过滤嘴，该可生物降解的烟用纤维材料的原料组成包括90-100％的非内酯单体共聚改性聚乳酸和0-10％的稳定剂，所述非内酯单体共聚改性聚乳酸为分子链中含有总链节数的1-30％的非内酯型单体链节，其余为聚乳酸链节的高分子聚合物，且其重均分子量为5-35万，分散指数1.2-3.0，该烟用纤维材料是所述原料经熔融纺丝工艺加工而成。本发明还提供了利用该烟用纤维材料经定型加工制成的可生物降解的香烟过滤嘴棒以及香烟产品。原料的加工和使用性能显著提高，且所提供的香烟滤嘴具有与目前通用的香烟过滤嘴性能相当，被吸烟者丢弃的烟蒂在自然环境中能短时间内被分解，在满足香烟生产的同时也解决了目前香烟遗弃物对环境的污染影响。
文档编号D01F6/92GK102080275SQ20091024164
公开日2011年6月1日 申请日期2009年11月30日 优先权日2009年11月30日
发明者季君晖 申请人:北京中科高意引擎技术有限公司