一种石墨烯纳米构件滤棒及其制备方法和应用 |
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| 申请号 | CN202311551397.9 | 申请日 | 2023-11-20 | 公开(公告)号 | CN117461884A | 公开(公告)日 | 2024-01-30 |
| 申请人 | 内蒙古昆明卷烟有限责任公司; | 发明人 | 杜赫; 董露; 乔月梅; 陈晨; 衣秀芹; 武晓峰; 高磊; 李力群; | ||||
| 摘要 | 本 发明 提供了一种 石墨 烯纳米构件滤棒及其制备方法和应用，涉及 烟草 滤棒技术领域。 石墨烯 纳米构件滤棒包括依次连接的第一 醋酸 纤维 滤棒、石墨烯滤棒构件以及第二醋酸纤维滤棒三元复合组成，其中，第一醋酸纤维滤棒的孔径小于第二醋酸纤维滤棒的孔径。石墨烯滤棒构件的材料按重量计，包括：SEBS 35‑45份，加工油25‑35份，聚丙烯20‑30份，抗 氧 化剂2‑7份，石墨烯纳米分子材料2‑5份。通过逐级过滤的方式，配合石墨烯滤棒构件的材质，实现降焦减害。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种石墨烯纳米构件滤棒，其特征在于，所述石墨烯纳米构件滤棒包括依次连接的第一醋酸纤维滤棒、石墨烯滤棒构件以及第二醋酸纤维滤棒三元复合组成， |
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| 说明书全文 | 一种石墨烯纳米构件滤棒及其制备方法和应用技术领域背景技术[0003] 吸烟者对卷烟的感官质量评价，是通过对卷烟燃烧后所产生的烟气被吸烟者受用后产生的，与烟气中化学成分的种类及浓度密切相关。随着卷烟消费习惯的变化，具有较低的刺激性、口感醇和、余味干净、追求舒适性的这类卷烟产品的市场份额正不断扩大和稳固。 发明内容[0005] 发明人研究发现：现有的滤棒在抽吸过程中，芯体的存在会导致外壳体发生应力的变化，进而发生变形情况，提高吸阻，因此为了减小外壳体的变形情况，通常要求过滤嘴的外壳体为硬质材料，然而硬质材料导致用户体验感差，且难以完全避免变形情况而导致吸阻增大；在生产过程中，芯体和外壳体需要单独装配，流程繁琐，不能实现自动化生产。为了解决上述问题，发明人经过多次试验，以热可塑性弹性体为基材，利用注塑成型的加工方式得到石墨烯滤棒构件，将第一醋酸纤维滤棒、石墨烯滤棒构件以及第二醋酸纤维滤棒卷制成三元复合滤棒，在使用过程中，第二醋酸纤维滤棒进行初级过滤，吸附烟气气流中的大颗粒物质，防止堵塞滤棒构件，影响后续过滤效果，然后经过石墨烯滤棒构件进行中级过滤，通过气流间的碰撞和阻挡，将烟气中的有害物质进行沉积，石墨烯滤棒构件中因添加石墨烯纳米分子材料能够进一步过滤除去烟气中的苯酚和苯并[a]芘，最后经过第一醋酸纤维滤棒进行终极过滤。本发明通过逐级过滤的方式，配合石墨烯滤棒构件的材质，实现降焦减害。 [0006] 本发明第一方面提供了一种石墨烯纳米构件滤棒，石墨烯纳米构件滤棒包括依次连接的第一醋酸纤维滤棒、石墨烯滤棒构件以及第二醋酸纤维滤棒三元复合组成， [0007] 其中，第一醋酸纤维滤棒的孔径小于第二醋酸纤维滤棒的孔径； [0009] 本发明第二方面提供了一种石墨烯纳米构件滤棒的制备方法，所述制备方法包括以下步骤： [0010] S1：将材料加入注塑成型设备中进行熔融混匀，然后依次进行定型、脱模，得到石墨烯滤棒构件； [0011] S2：将第一醋酸纤维滤棒、石墨烯滤棒构件以及第二醋酸纤维滤棒在复合机上卷制成石墨烯纳米构件滤棒； [0013] 和/或注塑压力为440‑460psi，注塑转速50‑80rpm，模具冷却时间不超过10s。 [0014] 本发明第三方面提供了一种卷烟，所述卷烟包括相连的发烟部以及上述的石墨烯纳米构件滤棒。 [0015] 与现有技术相比，本发明至少取得以下有益效果中的一项： [0016] (1)本发明石墨烯纳米构件滤棒以热可塑性弹性体为基材，利用注塑成型的加工方式得到石墨烯滤棒构件，将第一醋酸纤维滤棒、石墨烯滤棒构件以及第二醋酸纤维滤棒卷制成三元复合滤棒，在使用过程中，第二醋酸纤维滤棒进行初级过滤，吸附烟气气流中的大颗粒物质，防止堵塞石墨烯滤棒构件，影响后续过滤效果，然后经过石墨烯滤棒构件进行中级过滤，通过气流间的碰撞和阻挡，将烟气中的有害物质进行沉积，石墨烯滤棒构件中因添加石墨烯纳米分子材料能够进一步吸附除去烟气中的苯酚和苯并[a]芘，最后经过第一醋酸纤维滤棒进行终极过滤。通过逐级过滤的方式，配合石墨烯滤棒构件的材质，实现降焦减害。 [0017] (2)本发明石墨烯纳米分子材料为改性石墨烯，可以避免石墨烯团聚现象的发生。此外，通过改性得到的石墨烯可以更加均匀稳定的分散在石墨烯滤棒构件中，有助于进一步吸附烟气中的苯酚和苯并[a]芘。 [0019] 此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中： [0020] 图1示出了本发明卷烟降焦减害复合滤棒结构的一个示例性实施例； [0021] 图2示出了本发明滤棒构件结构示意图的一个示例性实施例； [0022] 图3示出了本发明滤棒构件结构示意图的另一个示例性实施例。 [0023] 附图标记说明： [0024] 1‑第一醋酸纤维滤棒；2‑滤棒构件；3‑第一醋酸纤维滤棒；201‑外圆柱壳体；202‑内圆柱壳体；203‑缓冲腔；204‑沉积腔；205‑进烟口；206‑出烟口；207‑进空气口；208‑小孔；209‑通孔。 具体实施方式[0026] 在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。 [0027] 另外，在本发明的描述中，需要理解的是，术语“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。 [0028] 在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是通信；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。 [0029] 在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。 [0030] 在本发明的一个示例性实施例中，石墨烯纳米构件滤棒包括依次连接的第一醋酸纤维滤棒、石墨烯滤棒构件以及第二醋酸纤维滤棒三元复合组成， [0031] 其中，第一醋酸纤维滤棒的孔径小于第二醋酸纤维滤棒的孔径。 [0032] 石墨烯滤棒构件的材料按重量计，包括：氢化苯乙烯‑丁二烯嵌段共聚物(简称SEBS)35‑45份，加工油25‑35份，聚丙烯20‑30份，抗氧化剂2‑7份，石墨烯纳米分子材料2‑5份。 [0033] 可选的，石墨烯滤棒构件的材料按重量计，包括：SEBS 32‑43份，加工油27‑32份，聚丙烯23‑26份，抗氧化剂4‑6份，石墨烯纳米分子材料3‑4份。 [0034] 优选的，石墨烯滤棒构件的材料按重量计，包括：SEBS 40份，加工油30份，聚丙烯25份，抗氧化剂5份，石墨烯纳米分子材料3份。 [0035] 可选的，石墨烯纳米分子材料为改性石墨烯，改性石墨烯的制备方法包括以下步骤： [0036] 将石墨粉进行Hummer’s法氧化，得到氧化石墨烯，然后将氧化石墨烯分散到水中，调节pH至8‑9，50‑70℃下加入二环己基碳二亚胺进行活化，然后依次加入分枝状聚乙烯亚胺、水合肼进行反应，经过滤、洗涤、干燥得到改性石墨烯。因石墨粉直接使用时易团聚，在石墨烯滤棒构件中分散不均匀，导致降焦减害效果较差，通过改性得到的石墨烯可以更加均匀稳定的分散在石墨烯滤棒构件中，有助于进一步吸附烟气中的苯酚和苯并[a]芘。 [0038] 可选的，所述抗氧剂选自2,6‑二叔丁基对甲酚、4,4’‑二叔辛基二苯胺和四[β‑(3,5‑二叔丁基‑4‑羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯中的至少一种，优选为四[β‑(3,5‑二叔丁基‑4‑羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯。 [0039] 可选的，石墨烯滤棒构件由内到外包括缓冲腔、内圆柱壳体、沉积腔和外圆柱壳体，所述内圆柱壳体置于外圆柱壳体的一端，所述内圆柱壳体上开设有通孔。 [0040] 进一步讲，在内圆柱壳体内部形成缓冲腔，在内圆柱壳体与外圆柱壳体之间形成沉积腔，例如，内圆柱壳体位于外圆柱壳体的中间位置，外圆柱壳体的一端与第二醋酸纤维滤棒连接，外圆柱体壳体的另一端与第一醋酸纤维滤棒连接，内圆柱壳体位于外圆柱壳体的一端，内圆柱壳体上开设有通孔。烟气进口滤棒构件时，气流在缓冲腔和通孔处被分配，一部分烟气在缓冲腔内遇到截面和内壁阻挡产生膨胀，改变烟气路径，延长气流在缓冲腔的滞留时间，同时在滤棒构件材料的作用下，使烟气中的有害物质进行部分沉积。另一部分烟气经通孔流入沉积腔，与直接进入沉积腔的空气发生碰撞，产生扩散沉积，使得烟气中的有害物质粘附在沉积腔中，进一步提高过滤效率。 [0041] 可选的，石墨烯滤棒构件还包括进烟口、出烟口和进空气口，进烟口与缓冲腔连通，缓冲腔的另一端封闭，出烟口与外圆柱壳体连通，进空气口开设在外圆柱壳体的侧壁上。最终经过过滤后的烟气通过出烟口进入第一醋酸纤维滤棒。 [0042] 可选的，通孔至少开设2个。优选的，通孔开设2个，且2个通孔对称开设在内圆柱壳体侧壁的中间位置。 [0043] 可选的，所述进烟口上呈一定间隔开设有若干小孔，通过小孔可以起到对烟气施加阻挡，延长气流在缓冲腔的滞留时间，提高过滤效率。优选的，进烟口开设有4个小孔，小孔为长方形，小孔的长为0.6‑0.8mm，小孔的宽为0.3‑0.5mm。 [0044] 可选的，进空气口可以是三角形、圆形、多边形、椭圆形中的一种，实现空气的进入。进空气口的中心与出烟口的距离和外圆柱壳体高度的比值为0.2‑0.4：1。避免进空气口距离出烟口过近而减少进空气量，导致吸阻过大，影响降焦效果。 [0045] 可选的，进空气口与进烟口的面积之比为100‑600:1，通过控制进空气口与进烟口之间的距离，进而控制进入口腔的空气与烟气之间比例，保证空气对烟气的降焦及降温效果，防止烟气温度过高，同时保证烟气的浓度及香气的丰富性，提升用户抽吸体验。 [0046] 可选的，外圆柱壳体圆周23.2±0.5mm，外圆柱壳体高度10‑15mm，内圆柱壳体圆周9.4±0.5mm，内圆柱壳体高度5‑7mm，通孔圆周1.6±0.5mm。 [0047] 控制沉积腔的水平宽度，避免沉积腔的水平宽度越大，烟气的撞击效果差，从而降低烟气的过滤效果。避免沉积腔的水平宽度越小，导致吸阻增大，影响降焦效果和用户体验感。 [0048] 可选的，第一醋酸纤维滤棒与第二醋酸纤维滤棒的高度与石墨烯滤棒构件的高度比为0.2‑0.6：1。优选的，第一醋酸纤维滤棒与第二醋酸纤维滤棒的高度与石墨烯滤棒构件的高度比为0.5:1。通过控制第一醋酸纤维滤棒和第二醋酸纤维滤棒的尺寸关系，保证烟气的过滤效果，同时避免吸阻过大影响用户体验感。 [0049] 具体的，石墨烯纳米构件滤棒的制备方法包括以下步骤： [0050] S1：将材料加入注塑成型设备中进行熔融混匀，然后依次进行定型、脱模，得到石墨烯滤棒构件； [0051] S2：将第一醋酸纤维滤棒、石墨烯滤棒构件以及第二醋酸纤维滤棒在复合机上卷制成石墨烯纳米构件滤棒； [0052] 其中，步骤S1注塑成型设备中料筒的喂料温度为165‑180℃，射嘴温度200‑220℃，模温20‑40℃； [0053] 和/或注塑压力为440‑460psi，注塑转速50‑80rpm，模具冷却时间不超过10s。 [0054] 优选的，所述S1注塑成型设备中料筒的喂料温度为170℃，射嘴温度210℃，模温30℃，注塑压力为450psi，注塑转速70rpm，模具冷却时间2s。 [0055] 本发明制备得到的石墨烯纳米构件滤棒具有明显的降焦减害作用，一方面本发明并非是单一的醋酸纤维滤棒，而是通过逐级过滤，烟气流经各个单元时受到阻力增加，使得滤棒对烟气的过滤作用增强，即滤棒对烟气有害成分的截留量和过滤效率增强。另一方面石墨烯滤棒构件中因添加了具有吸附作用的石墨烯纳米分子材料，表面呈多孔疏松结构，烟气在流经石墨烯滤棒构件时增加了碰撞次数，造成有害成分截留在构件内壁两侧，从而实现降焦减害。 [0056] 在本发明的另一个示例性实施例中，在上述实施例的基础上，所述石墨烯滤棒构件的材料还包括多孔碳化硅粉末2‑7份；优选的，多孔碳化硅粉末4‑6份。 [0057] 可选的，所述多孔碳化硅粉末孔径为3‑10nm。优选的，所述多孔碳化硅粉末孔径为5‑8nm。 [0058] 具体的，所述多孔碳化硅粉末的制备方法包括以下步骤： [0059] 将陶瓷粉、碳化硅粉、有机造孔剂按质量比1:9‑16:5‑10混合均匀，烧结得到多孔碳化硅粉末。 [0060] 可选的，有机造孔剂为淀粉、糊精、锯末、尿素、萘、氨基酸衍生物、聚乙烯醇、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、聚乙烯缩丁醛中的一种或多种。添加有机造孔剂的目的在于增加气孔率，上述有机造孔剂均在远低于多孔碳化硅粉末烧结温度下分解或挥发，在加热过程中易于排出，不与基体反应，对环境无害。可选的，烧结温度为400‑700℃。优选的，烧结温度为500‑600℃。 [0061] 将上述制备得到的石墨烯纳米构件滤棒和发烟部相连接，制得卷烟。 [0062] 实施例1 [0063] 参考图1所示，石墨烯纳米构件滤棒包括依次连接的第一醋酸纤维滤棒1、石墨烯滤棒构件2以及第二醋酸纤维滤棒3三元复合组成， [0064] 其中，第一醋酸纤维滤棒1的孔径小于第二醋酸纤维滤棒3的孔径； [0065] 石墨烯滤棒构件的材料按重量计，包括：SEBS 35份，石蜡油25份，聚丙烯20份，抗氧化剂2,6‑二叔丁基对甲酚2份，石墨烯纳米分子材料2份。 [0066] 参考图2所示，石墨烯滤棒构件2由内到外包括缓冲腔203、内圆柱壳体202、沉积腔204和外圆柱壳体201，内圆柱壳体202置于外圆柱壳体201的一端，所述内圆柱壳体202上开设有2个对称通孔209。滤棒构件2还包括进烟口205、出烟口206和进空气口207，进烟口205与缓冲腔203连通，缓冲腔203的另一端封闭，出烟口206与外圆柱壳体201连通，进空气口 207开设在外圆柱壳体201的侧壁上。内圆柱壳体圆周为9mm，内圆柱体的高度为5mm。外圆柱壳体圆周为22.7mm，外圆柱体的高度为12mm，通孔圆周1.1mm。 [0067] 石墨烯纳米构件滤棒的制备方法包括以下步骤： [0068] S1：将材料加入注塑成型设备中进行熔融混匀，然后依次进行定型、脱模，得到石墨烯滤棒构件。 [0069] S2：将第一醋酸纤维滤棒、石墨烯滤棒构件以及第二醋酸纤维滤棒在复合机上卷制成石墨烯纳米构件滤棒。 [0070] 其中，步骤S1注塑成型设备中料筒的喂料温度为165℃，射嘴温度200℃，模温20℃，注塑压力为440psi，注塑转速50rpm，模具冷却时间2s。 [0071] 实施例2 [0072] 在实施例1的基础上，主要区别在于，石墨烯滤棒构件的材料按重量计，包括：SEBS 40份，石蜡油30份，聚丙烯25份，抗氧化剂四[β‑(3,5‑二叔丁基‑4‑羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯5份，改性石墨烯3份，多孔碳化硅粉末4份。其中，多孔碳化硅粉末孔径为5nm。 [0073] 改性石墨烯的制备方法包括以下步骤： [0074] 将石墨粉进行Hummer’s法氧化，得到氧化石墨烯，然后将氧化石墨烯分散到水中，调节pH至8‑9，50‑70℃下加入二环己基碳二亚胺进行活化，然后依次加入分枝状聚乙烯亚胺、水合肼进行反应，经过滤、洗涤、干燥得到。 [0075] 多孔碳化硅粉末的制备方法包括以下步骤： [0076] 将陶瓷粉、碳化硅粉、有机造孔剂淀粉按质量比1:9‑16:5‑10混合均匀，烧结得到多孔碳化硅粉末，烧结温度为400‑700℃。 [0077] 内圆柱壳体圆周为9.4mm，内圆柱体的高度为5mm。外圆柱壳体圆周为23.2mm，外圆柱体的高度为12mm，通孔圆周1.6mm。参考图3所示，进烟口205开设有4个小孔208，小孔208为长方形，小孔的长为0.6mm，小孔的宽为0.3mm。 [0078] 实施例3 [0079] 在实施例2的基础上，主要区别在于，石墨烯滤棒构件的材料按重量计，包括：SEBS 45份，石蜡油35份，聚丙烯30份，抗氧化剂2,6‑二叔丁基对甲酚7份，改性石墨烯5份，多孔碳化硅粉末7份。其中，多孔碳化硅粉末孔径为10nm。 [0080] 实施例4 [0081] 在实施例2的基础上，主要区别在于，石墨烯滤棒构件的材料中未添加多孔碳化硅粉末。 [0082] 对比例1 [0083] 在实施例1的基础上，主要区别在于，石墨烯滤棒构件的材料中未添加石墨烯纳米分子材料。 [0084] 实施例1‑4和对比例1的石墨烯纳米构件滤棒设计参数，参考表1所示。 [0085] 表1石墨烯纳米构件滤棒设计参数表 [0086] [0087] 实验例 [0089] 表2 [0090] 吸阻(Pa/支) 滤棒通风率(％/支) 总通风率(％/支) 实施例1 1155 23.9 25.3 实施例2 1150 22.7 24.4 实施例3 1148 22.5 24.1 实施例4 1152 21.3 23.9 对比例1 1020 23.9 25.5 [0091] 参考表2所示，本发明石墨烯纳米构件滤棒卷烟吸阻不高于1200Pa，总通风率保持在20％以上。 [0092] 将实施例1‑4和对比例1制备得到的石墨烯纳米构件滤棒制备成卷烟，对卷烟中主流烟气烟碱以及焦油量进行测试，参考表3所示。 [0093] 表3 [0094] [0095] [0096] 参考表3所示，与对比例1相比，可以看出，与未添加石墨烯纳米分子材料滤棒卷烟相比，本发明石墨烯纳米构件滤棒卷烟主流烟气中烟碱量和焦油量均有所降低，烟碱平均降低约44％，焦油平均降低约23％，石墨烯纳米构件滤棒相较于未添加石墨烯纳米分子材料滤棒，提高了对烟气中烟碱和焦油的去除率。 [0097] 进一步对实施例1‑4和对比例1制备得到的滤棒制备成卷烟，对主流烟气中7种代表性有害成分释放量以及卷烟危害性指数进行检测，结果参考表4(1)和表4(2)所示。 [0098] 危害性指数H的计算方法如下式： [0099] H＝(XCO/14.2+XHCN/146.3+XNH3/8.1+X巴豆醛/18.6+X苯酚/17.4+XNNK/5.5+X苯并[a]芘/10.9)*10/7，其中，XCO为卷烟主流烟气中CO释放量实测值；XHCN为卷烟主流烟气中HCN释放量实测值；XNH3为卷烟主流烟气中NH3释放量实测值；X巴豆醛为卷烟主流烟气中巴豆醛释放量实测值；X苯酚为卷烟主流烟气中苯酚释放量实测值；XNNK为卷烟主流烟气中NNK释放量实测值； X苯并[a]芘为卷烟主流烟气中苯并[a]芘释放量实测值。 [0100] 表4(1) [0101] [0102] [0103] 表4(2) [0104] [0105] 参考表4(1)和表4(2)所示，与对比例1未添加石墨烯纳米分子材料相比，复合滤棒卷烟样品7种有害成分均有所降低，卷烟危害性指数降低至5以下。CO降低率达到5％以上，HCN降低率达到15％以上，氨降低率达到15％以上，巴豆醛降低率达到15％以上，苯酚降低率达到30％以上，NNK降低率达到15％以上，苯并[a]芘降低率达到30％以上。 |
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