电气石复合材料在卷烟减害降焦中的应用

孙贤军 钟科军 朱效群 谢兰英 刘 斌 黄 富 李 军

(湖南中烟工业公司,湖南长沙,410000)

电气石复合材料在卷烟减害降焦中的应用

孙贤军 钟科军 朱效群 谢兰英 刘 斌 黄 富 李 军

(湖南中烟工业公司,湖南长沙,410000)

利用电气石的热释电性、压电性和自发极化性产生的荷电效应,对卷烟烟气有害成分中的带电物质进行有效吸附原理,本实验研制了一种含电气石复合功能涂料的成形纸并将其用于卷烟减害降焦中。结果表明,含电气石复合功能涂料成形纸可降低卷烟危害性,焦油、CO、NOx、亚硝胺、羰基化合物、氢氰酸、苯并芘类物质降低率分别为 12.6%、15.0%、25.2%、12.5%、12.2%、30.4%、19.4%,且卷烟感官质量评价较好,没有明显影响卷烟的抽吸风格。

电气石;成形纸;减害降焦

《烟草控制框架公约》不仅规定了各国政府要采取和实行有效的立法、行政或其他措施以减少烟草消费、烟碱成瘾和接触烟草烟气等,而且还要求对烟草制品成分进行限制。目前,世界上一些主要发达国家相继对市售卷烟的焦油、烟碱及 CO作出了具体限量限制。同时,消费者对吸烟的安全性和环境保护意识也越来越强,国际烟草面临前所未有的压力。因此,开发低危害的卷烟不仅是烟草行业发展和生存的必然趋势,也是国家烟草专卖局关于行业卷烟降焦减害的发展战略之一[1-4]。成形纸作为卷烟的重要辅料之一,除了传统的对丝束包裹作用外,在对卷烟烟气减害降焦过程中的作用也越来越重要[5-7]。以成形纸为载体,在其表面负载功能材料,在不影响卷烟抽吸风格的前提下,降低烟气有害成分已是烟草行业逐渐热门的研究领域。

电气石作为一种新型的工业矿物,其热释电效应、压电效应和特有的自发极化及静电场效应的发现与研究,使其远红外辐射、吸附效应、释放负离子、生物电性等新特性在环保、医疗、保健、负离子发生装置、健康衣料、涂料、改良土壤、水质处理、净化空气以及屏蔽电磁辐射等领域已得到广泛应用[8-9]。我国电气石资源丰富,但将电气石应用于“低危害”卷烟领域目前还属空白。本研究以成形纸为载体,创新地压涂电气石复合材料,以降低卷烟烟气有害成分。据资料研究表明,香烟燃烧过程产生的气相、液相和固相微粒具有极性或荷电效应,这些具有极性或荷电效应的有害物质容易被成形纸上的电气石复合材料通过表面吸附和静电络合吸附,从而有效降低吸入人体的焦油及有害成分含量。因此,开展含电气石复合材料在卷烟辅料成形纸中的应用研究具有十分重要的社会和经济意义。

1 实 验

1.1 原料

电气石复合功能涂料主要由电气石微粉、填料、胶黏剂、增塑剂等组成。电气石微粉由河北省灵寿县矿产品加工厂生产;填料由通辽经济技术开发区天源有限公司生产;胶黏剂 (分子式CH2—CHOH)由北京东方石油化工有限公司有机化工厂生产;增塑剂由江苏洁丽莱日化有限公司生产;环己烷 (色谱纯,天津市光复精细化工研究所生产);其他试剂均为色谱纯。

1.2 仪器

电气石微粉成分用岛津 EPMA 1600及 X光电子能谱仪 (XPS)分析,电压 20 kV;电气石微粉粒度分布用 JL-1166型激光粒度仪测定;RM200型吸烟机(德国 Brogwaldt公司生产);HP6890、5973型气相色谱-质谱联用仪 (Agilent公司生产,USA);固相萃取装置 (Agilent公司生产,USA);KF-3型压降测试仪(KCAutomation,Inc.USA);天平 (北京塞多利斯公司生产)。

1.3 电气石复合功能涂料的制备

先往反应釜 (北京搪瓷设备厂制造,1000 L)中加去离子水,升温后加胶黏剂,使胶黏剂溶解 (溶解温度约 95℃),保温 1 h,成为待用胶液;然后将电气石微粉、增塑剂、填料以一定配比分别加入到反应釜中与胶液混合。用高速分散机 (重庆化工机械厂制造)高速分散 30～60 min,转速 1500 r/min。固体粉末材料粒度较小,经分散机分散后,固体粉末能在胶液中均匀分散,形成均相的混合液,为后续的研磨打下基础。分散后的混合液进入砂磨机 (重庆化工机械厂制造,20L3)再次进行研磨分散,使固体粉末的粒度更小,符合后续的凹版印刷涂料要求。最后流出的混合液需静置 12 h,即涂料的熟化期。这主要是针对涂料中的胶黏剂,因为胶黏剂在分散、研磨过程中受到外力的强拉伸,经过一定的熟化时间后,胶黏剂达到一种新的平衡状态,能保证后续的凹版印刷时涂层的均匀性。最后即形成电气石复合功能涂料。

上述制备的功能涂料是电气石微粉分散在高分子胶黏剂溶液形成的胶体分散体系。在这样胶体分散体系中,存在着化学物质分散和凝聚的稳定性和流动性问题。本研究选择胶黏剂时,对其胶黏作用和作为胶液的稳定性做了考虑。另外,在选择填料与配方的配比时,充分考虑了对功能涂料稳定性的影响。填料的添加是为了提高功能涂料的固含量。同时,填料本身固有的物理化学性质对卷烟烟气减害降焦具有协同作用。增塑剂的主要作用是削弱聚合物分子间的次价健键,即范德华力,从而增加聚合物分子链的移动性,降低聚合物分子链的结晶性,增加了聚合物的塑性,保证涂料具有一定的流动性,且所选增塑剂与配方中的胶黏剂有良好的相溶性。

1.4 含电气石复合功能涂料成形纸卷烟制备方法

电气石复合功能涂料经过凹版印刷压涂在成形纸上,干燥后制得含电气石复合功能涂料成形纸,再按工业工艺规格要求对含电气石复合功能涂料成形纸进行分切。研究考察了电气石复合功能涂料负载量不同对卷烟 “低危害”的影响,以寻求最优的负载量。实验中 B1、B2、B3(B1

2 结果与讨论

2.1 电气石微粉的成分

采用电子探针和 X射线能谱分析仪对电气石微粉进行形貌分析,结果如图1所示。由谱图的出峰可知,电气石微粉主要是由含 O、C、Si、Mg、Al、Fe、Ca的化合物组成,各元素在电气石微粉中的质量分数:C占 25.3%、O占 46.4%、Na占 0.3%、Mg占7.7%、Al占 2.5%、Si占 14.8%、Ca占 0.6%、Fe占2.3%。

图1 电气石微粉电子能谱图

2.2 电气石微粉的粒径

用 JL-1166型激光粒度仪测定电气石微粉的粒径分布,结果如图2所示。由图2可知,本研究所选的电气石微粉平均粒径为 7.20μm。各粒径在电气石微粉中所占比例如表1所示。

图2 电气石微粉粒径分布

表1 各粒径在电气石中所占比例

2.3 含电气石复合功能涂料成形纸性能

将本研究开发的含电气石复合功能涂料的成形纸作为卷烟辅料进行质量检测。各项检测指标平均值为:定量 43.6 g/m2、抗张能量吸收 48.7 J/m2、水分6.2%、透气度 1920 C.U.、宽度 26.5 mm、白度71.9%。由此可知,含电气石复合功能涂料成形纸的白度较高,可使滤棒具有美观的切口截面;抗张强度较好,在滤棒成型过程不会出现断头现象;透气度高,有利于和具有自然透气度的水松纸配合组成具有一定通气量的滤嘴,在一定程度上提高滤嘴棒的通风量,进而减少卷烟中吸入人体的焦油和其他有害成分的含量,降低卷烟对人体的伤害。

将研制的含电气石复合功能涂料的成形纸送往北京市疾病预防控制中心进行安全性毒理学评价、急性经口毒性试验、一次完整皮肤刺激试验。结果表明,含电气石复合功能涂料成形纸无毒,对皮肤也无刺激性。

2.4 含电气石复合功能涂料成形纸对卷烟烟气有害成分的影响

采用转盘式吸烟机对试制卷烟样品进行烟气全分析。卷烟在相对湿度 (60±2)%,温度 (22±1)℃(GB/T16447—1996)条件下平衡至少 48 h,然后在标准条件下抽吸 (1口 /min,2 s/口,35 mL/口 )。按 GB/T19609—2004方法测定样品卷烟的总粒相物和焦油含量;按 YC/T156—2001、YC/T157—2001和YC/T30—1996方法分别测定试制卷烟样品的烟碱、水分和 CO含量。重复测定 3次,取平均值,结果如表2所示。由表2可知,与 FRH-A相比,含电气石复合功能涂料成形纸的 FRH型卷烟的焦油和 CO含量得到有效降低,FRH-B1、FRH-B2和 FRH-B3的卷烟焦油量每支分别下降 0.7、2.0和 2.2 mg,CO每支分别下降 1.4、2.2和 2.0 mg。

表2 含电气石复合功能涂料成形纸的卷烟烟气全分析

表3 含电气石复合功能涂料成形纸对卷烟芙蓉王 (硬)烟气有害成分的影响

对上述的 4种试制卷烟样品进行烟气有害成分分析,结果见表3。由表3可知,在卷烟纸中添加电气石复合功能涂料可有效降低卷烟烟气中 NOx、羰基化合物、酚类、氢氰酸、亚硝胺及 3种苯并芘等有害成分的含量。

对上述 4种试制卷烟样品进行卷烟内在品质评析,结果见表4。由表4可知,卷烟中采用含电气石复合功能涂料的成形纸没有明显影响卷烟的抽吸风格。

表4 含电气石复合功能涂料成形纸滤棒卷烟感官质量评价

由表2～表4可知,电气石复合功能涂料配方 B2对减害降焦效果最好,焦油、CO、NOx、亚硝胺、羰基化合物、氢氰酸、苯并芘类物质降低率分别为12.6%、15.0%、25.2%、12.5%,、12.2%、30.4%、19.4%,且卷烟感官质量评价较好,没有明显影响卷烟的抽吸风格。

2.5 含电气石复合功能涂料成形纸滤棒减害降焦机理

电气石具有热释电性、压电性及自发极化性,当电气石晶体周围环境温度或压力发生改变时,电气石便产生荷电效应。香烟燃烧抽吸过程中,当具有一定流速和温度的烟气流通过滤嘴时,滤棒上的电气石微粉的热释电性、压电性和自发极化性使得其周围形成空穴 (h+)和电子 (e-),与烟气中的水分子作用产生·OH。电气石对烟气中水分子的离解除了自身电极在起作用外,另一个可能是其较强的红外辐射特性。有研究者发现,电气石辐射的远红外线作用于水分子产生共振,可削弱水分子间氢键作用,从而使水表面张力降低。水表面张力的降低理论上消耗更少能量即可使水分子离解,因而较高红外辐射率的电气石可离解更多的水分子,水分子离解出来的·OH与其他水分子结合形成水合羟基离子。

香烟燃烧过程产生的气相、液相和固相微粒同样具有极性或荷电效应,这些具有极性或荷电效应的有害物质容易被成形纸上电气石复合功能涂料所吸附,从而达到降焦减害的目的。当电气石由晶体加工成微粒时,比表面积大大增加,表面能升高,表面不饱和化学键构成的活性点和活性中心增多,使电气石自发地吸附烟气中带电有害物质。电气石晶体粉碎后,会沿着不同的方向和晶面断裂,使大量的 Na、Mg、Fe等的阳离子露出晶体表面,这些阳离子易被极性水分子吸引而脱离晶体表面。金属阳离子的失去使得电气石表面正电荷缺失而呈负电性,可吸附烟气中更多的正电荷物质。同时,由于产生的负电荷与烟气中的灰尘、烟雾细小颗粒和水分相结合聚集成团,使丝束的过滤功能大大加强,从而降低烟气中的有害成分。

3 结 论

将电气石微粉、填料、胶黏剂、增塑剂等制成涂料压涂在成形纸上,然后卷制成含电气石复合功能涂料的成形纸卷烟。研究结果表明,采用含电气石复合功能涂料成形纸可使卷烟烟气中的焦油、CO、NOx、亚硝胺、羰基化合物、氢氰酸、苯并芘类物质分别降低 12.6%、15.0%、25.2%、12.5%、12.2%、30.4%、19.4%,且卷烟感官质量评价较好,没有明显影响卷烟的抽吸风格。

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Application of Tourmaline CompositeMaterials to Reduce Tar and O ther Harmful Components in C igarette

SUN Xian-jun ZHONG Ke-jun ZHU Xiao-qun XIE Lan-ying＊L IU Bin HUANG Fu L IJun
(China Tobacco Hunan Industrial Co.,Ltd.,Changsha,Hu'nan Province,410000)

Tourmaline has the propertiesof pyroeletricity,piezoelectricity and spontaneouspolarization,can form electric field around itsparticles.Charged particles in tobacco s moke can be attracted to tourmaline efficiently by electric fields.A new tippingpaper containing tourmaline compositematerialswas developed,and the effectof tourmaline compositematerialson reducing tar and other harmful components in cigarette was studied.Results showed that by using the tourmaline-containing tipping paper,the harmfulness of cigarette is lowered down.The contents of tar can be reduced by 12.6%,CO can be reduced by 15.0%,the har mful componentsof cigarette smoke such asNOx,TSNAs,carbonyl compound,HCN and BaP can be reduced by 25.2%,12.5%,12.2%,30.4%and 19.4%respectively.

tour maline composite;tipping paper;reduction of tar and other har mful components

TS761.2

A

0254-508X(2010)03-0017-04

孙贤军先生,硕士;主要从事卷烟新产品、新工艺的开发工作。

(＊E-mail:cdxielanying@163.com)

2009-09-02(修改稿)

(责任编辑:陈丽卿)