電氣石復合材料在卷煙減害降焦中的應用

孫賢軍 鐘科軍 朱效群 謝蘭英 劉 斌 黃 富 李 軍

(湖南中煙工業公司,湖南長沙,410000)

電氣石復合材料在卷煙減害降焦中的應用

孫賢軍 鐘科軍 朱效群 謝蘭英 劉 斌 黃 富 李 軍

(湖南中煙工業公司,湖南長沙,410000)

利用電氣石的熱釋電性、壓電性和自發極化性產生的荷電效應,對卷煙煙氣有害成分中的帶電物質進行有效吸附原理,本實驗研制了一種含電氣石復合功能涂料的成形紙并將其用于卷煙減害降焦中。結果表明,含電氣石復合功能涂料成形紙可降低卷煙危害性,焦油、CO、NOx、亞硝胺、羰基化合物、氫氰酸、苯并芘類物質降低率分別為 12.6%、15.0%、25.2%、12.5%、12.2%、30.4%、19.4%,且卷煙感官質量評價較好,沒有明顯影響卷煙的抽吸風格。

電氣石;成形紙;減害降焦

《煙草控制框架公約》不僅規定了各國政府要采取和實行有效的立法、行政或其他措施以減少煙草消費、煙堿成癮和接觸煙草煙氣等,而且還要求對煙草制品成分進行限制。目前,世界上一些主要發達國家相繼對市售卷煙的焦油、煙堿及 CO作出了具體限量限制。同時,消費者對吸煙的安全性和環境保護意識也越來越強,國際煙草面臨前所未有的壓力。因此,開發低危害的卷煙不僅是煙草行業發展和生存的必然趨勢,也是國家煙草專賣局關于行業卷煙降焦減害的發展戰略之一[1-4]。成形紙作為卷煙的重要輔料之一,除了傳統的對絲束包裹作用外,在對卷煙煙氣減害降焦過程中的作用也越來越重要[5-7]。以成形紙為載體,在其表面負載功能材料,在不影響卷煙抽吸風格的前提下,降低煙氣有害成分已是煙草行業逐漸熱門的研究領域。

電氣石作為一種新型的工業礦物,其熱釋電效應、壓電效應和特有的自發極化及靜電場效應的發現與研究,使其遠紅外輻射、吸附效應、釋放負離子、生物電性等新特性在環保、醫療、保健、負離子發生裝置、健康衣料、涂料、改良土壤、水質處理、凈化空氣以及屏蔽電磁輻射等領域已得到廣泛應用[8-9]。我國電氣石資源豐富,但將電氣石應用于“低危害”卷煙領域目前還屬空白。本研究以成形紙為載體,創新地壓涂電氣石復合材料,以降低卷煙煙氣有害成分。據資料研究表明,香煙燃燒過程產生的氣相、液相和固相微粒具有極性或荷電效應,這些具有極性或荷電效應的有害物質容易被成形紙上的電氣石復合材料通過表面吸附和靜電絡合吸附,從而有效降低吸入人體的焦油及有害成分含量。因此,開展含電氣石復合材料在卷煙輔料成形紙中的應用研究具有十分重要的社會和經濟意義。

1 實 驗

1.1 原料

電氣石復合功能涂料主要由電氣石微粉、填料、膠黏劑、增塑劑等組成。電氣石微粉由河北省靈壽縣礦產品加工廠生產;填料由通遼經濟技術開發區天源有限公司生產;膠黏劑 (分子式CH2—CHOH)由北京東方石油化工有限公司有機化工廠生產;增塑劑由江蘇潔麗萊日化有限公司生產;環己烷 (色譜純,天津市光復精細化工研究所生產);其他試劑均為色譜純。

1.2 儀器

電氣石微粉成分用島津 EPMA 1600及 X光電子能譜儀 (XPS)分析,電壓 20 kV;電氣石微粉粒度分布用 JL-1166型激光粒度儀測定;RM200型吸煙機(德國 Brogwaldt公司生產);HP6890、5973型氣相色譜-質譜聯用儀 (Agilent公司生產,USA);固相萃取裝置 (Agilent公司生產,USA);KF-3型壓降測試儀(KCAutomation,Inc.USA);天平 (北京塞多利斯公司生產)。

1.3 電氣石復合功能涂料的制備

先往反應釜 (北京搪瓷設備廠制造,1000 L)中加去離子水,升溫后加膠黏劑,使膠黏劑溶解 (溶解溫度約 95℃),保溫 1 h,成為待用膠液;然后將電氣石微粉、增塑劑、填料以一定配比分別加入到反應釜中與膠液混合。用高速分散機 (重慶化工機械廠制造)高速分散 30～60 min,轉速 1500 r/min。固體粉末材料粒度較小,經分散機分散后,固體粉末能在膠液中均勻分散,形成均相的混合液,為后續的研磨打下基礎。分散后的混合液進入砂磨機 (重慶化工機械廠制造,20L3)再次進行研磨分散,使固體粉末的粒度更小,符合后續的凹版印刷涂料要求。最后流出的混合液需靜置 12 h,即涂料的熟化期。這主要是針對涂料中的膠黏劑,因為膠黏劑在分散、研磨過程中受到外力的強拉伸,經過一定的熟化時間后,膠黏劑達到一種新的平衡狀態,能保證后續的凹版印刷時涂層的均勻性。最后即形成電氣石復合功能涂料。

上述制備的功能涂料是電氣石微粉分散在高分子膠黏劑溶液形成的膠體分散體系。在這樣膠體分散體系中,存在著化學物質分散和凝聚的穩定性和流動性問題。本研究選擇膠黏劑時,對其膠黏作用和作為膠液的穩定性做了考慮。另外,在選擇填料與配方的配比時,充分考慮了對功能涂料穩定性的影響。填料的添加是為了提高功能涂料的固含量。同時,填料本身固有的物理化學性質對卷煙煙氣減害降焦具有協同作用。增塑劑的主要作用是削弱聚合物分子間的次價健鍵,即范德華力,從而增加聚合物分子鏈的移動性,降低聚合物分子鏈的結晶性,增加了聚合物的塑性,保證涂料具有一定的流動性,且所選增塑劑與配方中的膠黏劑有良好的相溶性。

1.4 含電氣石復合功能涂料成形紙卷煙制備方法

電氣石復合功能涂料經過凹版印刷壓涂在成形紙上,干燥后制得含電氣石復合功能涂料成形紙,再按工業工藝規格要求對含電氣石復合功能涂料成形紙進行分切。研究考察了電氣石復合功能涂料負載量不同對卷煙 “低危害”的影響,以尋求最優的負載量。實驗中 B1、B2、B3(B1

2 結果與討論

2.1 電氣石微粉的成分

采用電子探針和 X射線能譜分析儀對電氣石微粉進行形貌分析,結果如圖1所示。由譜圖的出峰可知,電氣石微粉主要是由含 O、C、Si、Mg、Al、Fe、Ca的化合物組成,各元素在電氣石微粉中的質量分數: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%。

圖1 電氣石微粉電子能譜圖

2.2 電氣石微粉的粒徑

用 JL-1166型激光粒度儀測定電氣石微粉的粒徑分布,結果如圖2所示。由圖2可知,本研究所選的電氣石微粉平均粒徑為 7.20μm。各粒徑在電氣石微粉中所占比例如表1所示。

圖2 電氣石微粉粒徑分布

表1 各粒徑在電氣石中所占比例

2.3 含電氣石復合功能涂料成形紙性能

將本研究開發的含電氣石復合功能涂料的成形紙作為卷煙輔料進行質量檢測。各項檢測指標平均值為:定量 43.6 g/m2、抗張能量吸收 48.7 J/m2、水分6.2%、透氣度 1920 C.U.、寬度 26.5 mm、白度71.9%。由此可知,含電氣石復合功能涂料成形紙的白度較高,可使濾棒具有美觀的切口截面;抗張強度較好,在濾棒成型過程不會出現斷頭現象;透氣度高,有利于和具有自然透氣度的水松紙配合組成具有一定通氣量的濾嘴,在一定程度上提高濾嘴棒的通風量,進而減少卷煙中吸入人體的焦油和其他有害成分的含量,降低卷煙對人體的傷害。

將研制的含電氣石復合功能涂料的成形紙送往北京市疾病預防控制中心進行安全性毒理學評價、急性經口毒性試驗、一次完整皮膚刺激試驗。結果表明,含電氣石復合功能涂料成形紙無毒,對皮膚也無刺激性。

2.4 含電氣石復合功能涂料成形紙對卷煙煙氣有害成分的影響

采用轉盤式吸煙機對試制卷煙樣品進行煙氣全分析。卷煙在相對濕度 (60±2)%,溫度 (22±1)℃(GB/T16447—1996)條件下平衡至少 48 h,然后在標準條件下抽吸 (1口 /min,2 s/口,35 mL/口 )。按 GB/T19609—2004方法測定樣品卷煙的總粒相物和焦油含量;按 YC/T156—2001、YC/T157—2001和YC/T30—1996方法分別測定試制卷煙樣品的煙堿、水分和 CO含量。重復測定 3次,取平均值,結果如表2所示。由表2可知,與 FRH-A相比,含電氣石復合功能涂料成形紙的 FRH型卷煙的焦油和 CO含量得到有效降低,FRH-B1、FRH-B2和 FRH-B3的卷煙焦油量每支分別下降 0.7、2.0和 2.2 mg,CO每支分別下降 1.4、2.2和 2.0 mg。

表2 含電氣石復合功能涂料成形紙的卷煙煙氣全分析

表3 含電氣石復合功能涂料成形紙對卷煙芙蓉王 (硬)煙氣有害成分的影響

對上述的 4種試制卷煙樣品進行煙氣有害成分分析,結果見表3。由表3可知,在卷煙紙中添加電氣石復合功能涂料可有效降低卷煙煙氣中 NOx、羰基化合物、酚類、氫氰酸、亞硝胺及 3種苯并芘等有害成分的含量。

對上述 4種試制卷煙樣品進行卷煙內在品質評析,結果見表4。由表4可知,卷煙中采用含電氣石復合功能涂料的成形紙沒有明顯影響卷煙的抽吸風格。

表4 含電氣石復合功能涂料成形紙濾棒卷煙感官質量評價

由表2～表4可知,電氣石復合功能涂料配方 B2對減害降焦效果最好,焦油、CO、NOx、亞硝胺、羰基化合物、氫氰酸、苯并芘類物質降低率分別為12.6%、15.0%、25.2%、12.5%,、12.2%、30.4%、19.4%,且卷煙感官質量評價較好,沒有明顯影響卷煙的抽吸風格。

2.5 含電氣石復合功能涂料成形紙濾棒減害降焦機理

電氣石具有熱釋電性、壓電性及自發極化性,當電氣石晶體周圍環境溫度或壓力發生改變時,電氣石便產生荷電效應。香煙燃燒抽吸過程中,當具有一定流速和溫度的煙氣流通過濾嘴時,濾棒上的電氣石微粉的熱釋電性、壓電性和自發極化性使得其周圍形成空穴 (h+)和電子 (e-),與煙氣中的水分子作用產生·OH。電氣石對煙氣中水分子的離解除了自身電極在起作用外,另一個可能是其較強的紅外輻射特性。有研究者發現,電氣石輻射的遠紅外線作用于水分子產生共振,可削弱水分子間氫鍵作用,從而使水表面張力降低。水表面張力的降低理論上消耗更少能量即可使水分子離解,因而較高紅外輻射率的電氣石可離解更多的水分子,水分子離解出來的·OH與其他水分子結合形成水合羥基離子。

香煙燃燒過程產生的氣相、液相和固相微粒同樣具有極性或荷電效應,這些具有極性或荷電效應的有害物質容易被成形紙上電氣石復合功能涂料所吸附,從而達到降焦減害的目的。當電氣石由晶體加工成微粒時,比表面積大大增加,表面能升高,表面不飽和化學鍵構成的活性點和活性中心增多,使電氣石自發地吸附煙氣中帶電有害物質。電氣石晶體粉碎后,會沿著不同的方向和晶面斷裂,使大量的 Na、Mg、Fe等的陽離子露出晶體表面,這些陽離子易被極性水分子吸引而脫離晶體表面。金屬陽離子的失去使得電氣石表面正電荷缺失而呈負電性,可吸附煙氣中更多的正電荷物質。同時,由于產生的負電荷與煙氣中的灰塵、煙霧細小顆粒和水分相結合聚集成團,使絲束的過濾功能大大加強,從而降低煙氣中的有害成分。

3 結 論

將電氣石微粉、填料、膠黏劑、增塑劑等制成涂料壓涂在成形紙上,然后卷制成含電氣石復合功能涂料的成形紙卷煙。研究結果表明,采用含電氣石復合功能涂料成形紙可使卷煙煙氣中的焦油、CO、NOx、亞硝胺、羰基化合物、氫氰酸、苯并芘類物質分別降低 12.6%、15.0%、25.2%、12.5%、12.2%、30.4%、19.4%,且卷煙感官質量評價較好,沒有明顯影響卷煙的抽吸風格。

[1] 閆克玉.卷煙煙氣化學[M].鄭州:鄭州大學出版社,2002.

[2] 徐信國.低焦油卷煙研制的理論與技術[M].北京:中國輕工業出版社,1998.

[3] Stephen S Hecht.Tboacco smoke carcinogens and lung cancer[J].Journal of the National Cancer Institute,1999,91(14):1194.

[4] Kathleen Stratton,Padma Shetty,RobertWallace,et al.Clearing the Smoke[M].Washington D.C.:NationalAcademy Press,2004.

[5] 梅志亮.卷煙輔助材料研究進展[M].北京:中國輕工業出版社,1999.

[6] 楊光旺.濾嘴棒成形紙的屬性及制造工藝特性[J].西南造紙,2004,33(4):43.

[7] 曹 斝.高透氣度成形紙對卷煙降焦的作用[J].中國造紙,2004,28(4):21.

[8] 許文花,呂宇鵬,趙光峰.電氣石的結構、性質與應用[J].材料導報,2008,3(2):22.

[9] 李雯雯,張曉暉,吳瑞華.不同種屬電氣石的壓電效應及磁學性質的研究[J].硅酸鹽通報,2007,26(6):1116.

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

孫賢軍先生,碩士;主要從事卷煙新產品、新工藝的開發工作。

(＊E-mail:cdxielanying@163.com)

2009-09-02(修改稿)

(責任編輯:陳麗卿)