電子煙濾芯材料研究進展

闞 佩,薛 濤,龍 飛,趙天馳

(西安工程大學 紡織科學與工程學院,陜西 西安 710048)

電子煙[1]是一種以可充電鋰聚合物電池供電驅動的霧化器,主要通過加熱電子油艙中的煙液以氣體的方式吸入人體內,與傳統香煙有著相類似的煙霧與感覺。電子煙煙液成分中不含焦油,能夠解除吸煙引起癌癥、慢阻肺等危險因素,但是電子煙含有尼古丁,人類吸煙成癮最主要的就是由于對尼古丁的成癮性,所以在吸食電子煙的時候,并不減少吸入尼古丁的含量,因而對煙草的依賴沒有減低。所以目前來看吸電子煙是否能戒煙在國際上還有爭論,但是從它的機理看,可以減少吸香煙造成的危害。因此,對電子煙濾芯材料進行優化與探索,減少其對人體的危害很有必要。

1 濾芯新材料

常用的煙嘴過濾材料是白色納米過濾海綿,主要用于電子煙及各種煙嘴,起到對煙、焦油等的過濾作用。探討將新型材料用于電子煙內部存放電子煙液的部分,將煙液吸附于其中,在能夠承受高溫環境的同時在煙液的蒸發過程中起到一定的過濾作用,減少危害,圖1為濾芯材料實物圖。

圖1 濾芯新材料實物圖

1.1 芳綸

芳綸(聚苯二甲酰苯二胺)是一種集高強度、耐高溫、耐酸堿、絕緣和抗老化等諸多優良性能于一體的新型高科技合成纖維,廣泛應用于復合材料、特種防護服裝、電子設備等相關領域[2]。間位芳綸(聚間苯二甲酰間苯二胺)是芳綸的一種,具有優異的阻燃性和耐熱性。當溫度低于205 ℃時,耐熱性可多次使用,當溫度高于205 ℃時,仍能保證高強度,同時間位芳綸的高分解溫度能保證其不會在高溫條件下發生熔融現象。此外,間位芳綸纖維還具有優異的耐大多數化學品性能,可耐高濃度無機酸,室溫下耐堿性良好。其具有的優點可以保證通過針刺法加固的纖維間相互纏結抱合形成的濾料蓬松且具有大量微孔的結構能夠用于電子煙濾芯的材料,滿足高溫同時起到過濾作用。

1.2 P84聚酰亞胺纖維

P84聚酰亞胺纖維是一種阻燃、耐熱穩定的呈自然金黃色的纖維材料。P84纖維特性因其纖維的細度而顯著,且因不規則的纖維截面結構為異形(葉型)使得其纖維表面積達到最大,過濾性能優良[3]。同時,P84聚酰亞胺纖維耐熱性能穩定,由其制備的過濾材料最高耐熱溫度可達260 ℃且其機械性能不會發生變化,主要用于瀝青拌和、水泥窯、干燥、燃燒、冶煉、燃煤鍋爐、垃圾焚燒等煙氣凈化,廣泛應用于排放濃度較高的工藝中,也可與其他纖維材料混紡,充分發揮各纖維的作用。但P84 相比于同類纖維價格昂貴且不耐水解。

1.3 聚丙烯

聚丙烯是由丙烯聚合而制得的呈白色透明蠟狀的熱塑性樹脂,表現為無毒、無臭、無味的乳白色高結晶,重量較輕。聚丙烯主要用于生產熔噴布,也是口罩最核心的來源,纖維直徑可以達到1～5μm,具有獨特的毛細結構,孔隙多、結構蓬松、抗皺性好,增加了單位面積纖維的數量和表面積,使熔噴布具有良好的過濾、屏蔽、隔熱和吸油性能,可用于空氣和液體過濾材料、隔離材料、口罩材料、保暖材料、吸油材料等領域[4]。

1.4 醋酯纖維

醋酯纖維是一種由纖維素醋酸酯紡制成的人造纖維,包括二型醋酯纖維和三醋酯纖維2種[5]。纖維中的纖維素環上的大部分或全部羥基都是乙酰化的,醋酯纖維的縱向為附有條紋的光滑圓柱形,橫斷面為橢圓形。由于結晶度和側序較低的原因導致醋酸纖維的斷裂強度較差,濕態斷裂強度更差,但具有較高的斷裂伸長率,彈性回復率遠好于黏膠纖維,同時具有良好的熱穩定性、吸濕性、透氣性等諸多優點,深受服裝設計行業的青睞。

1.5 聚四氟乙烯濾料

聚四氟乙烯纖維(PTFE)是一種人工合成纖維。合成方法是以聚四氟乙烯為原料,經紡絲或制成薄膜后切割或原纖化而制得。在分子結構上,氟原子的體積大于氫原子,整個碳-碳主鏈因氟碳鍵的強結合力保持穩定,碳-碳主鏈的穩定性使得聚四氟乙烯纖維與其他合成纖維相比具有優異的化學穩定性和更好的耐腐蝕性,同時具有比較高的使用溫度。它還具有良好的耐候性和抗彎曲性,但染色性、導熱性和耐磨性較差,熱膨脹系數大,易產生靜電,主要用作高溫粉塵濾袋、過濾氣體或液體的高腐蝕性濾料[6]、填料、密封帶、泵和閥門的自潤滑軸承、制堿用全氟離子交換膜加固、火箭發射臺篷布等。

2 制備工藝

2.1 熔噴法

熔噴法是一種制備超細纖維非織造布的加工方法,與靜電紡絲原理有些類似,通過高速熱氣流快速拉伸和固化新擠出的聚合物熔體[7],工藝流程簡潔,可直接將紡絲紡成無紡布,工藝原理如圖2 所示。240 ℃溫度下,聚合物母料在擠出機中變成熔融狀態,熔體通過計量泵到達熔噴模頭,計量泵測量到噴嘴的熔體流量輸出。噴絲頭為一排毛細管,間距小于1 mm,直徑0.2～0.4 mm。毛細管兩側為進氣口,加250～300 ℃的壓縮空氣,壓縮空氣的頭端作用于剛形成的從噴絲頭擠出的聚合物,以高于聲速(550 m/s)的氣流將熱長絲牽伸至直徑1～10μm,根據其物理特性將這種網稱為超細纖維網。當熱空氣向下流動時,它與周圍空氣混合以冷卻纖維,最終凝固成短而細的纖維,同時能將纖維分布于三維立體結構中,主要用于聚丙烯/聚乳酸類非織造材料的制備[8-10]。

圖2 熔噴法工作原理

2.2 靜電紡絲法

靜電紡絲[11]是聚合物流體靜電霧化的一種特殊形式,其原理主要是將特殊的聚合物溶液或熔體置于電場下,在電場作用下進行噴射紡絲的纖維制造工藝。通過霧化分離的材料是非常小的聚合物射流而不是小液滴,可以實現長距離流動,最終凝固成纖維,具有孔隙小、孔隙率高、比表面積大等優點,廣泛用于環境保護、智能紡織品及能量轉換等領域,原理如圖3所示。在電場的作用下,針尖處的液滴由球形變為圓錐形,并從圓錐形尖端延伸得到纖維長絲,一般納米級直徑的聚合物長絲均可以通過靜電紡絲方法制得。耐高溫的聚酰亞胺纖維類過濾材料一般都采用此方法以及與其他工藝相結合,制備符合性能的過濾材料[12-13]。

圖3 靜電紡絲工作原理

2.3 針刺法

非織造布針刺技術[14]是通過針在纖維網中的往復穿刺,形成具有一定面積密度和強度的非織造材料,實現纖維網的機械增強,在非織造生產線中占據了約30%的比例。工藝原理如圖4所示,主要利用三角截面棱邊帶倒鉤的刺針對纖網進行反復穿刺。纖維網表面和局部內層的纖維隨著倒鉤穿過纖維網被壓入纖維網,松弛的纖維網會因纖維之間的摩擦作用而被壓縮,插入的纖維束不會隨著針的抽出而離開,而是保留在纖維網中。通過這種方式,纖維網上會存在越來越多的纖維束,纖維網中的纖維相互纏繞,纖維網的整體強度慢慢增強,最終形成具有一定強度和厚度的針刺非織造布。針刺非織造布具有良好的透氣性、過濾性和機械性能,廣泛用于制造工業和家用非織造布,如過濾材料、建筑防水材料、紙毯等。中原工學院趙博測試了聚丙烯非織造針刺濾料的性能,試驗結果表明,聚丙烯非織造針刺過濾材料具有獨特的性能,適合開發各種功能性過濾產品,應用廣泛[15]。

圖4 針刺法原理示意圖

3 結束語

電子煙在一定程度上所含危害物質比香煙要少,不產生異味,在滿足吸煙者對尼古丁需求的同時不產生有毒煙霧,減少了對環境污染及身邊人吸二手煙的危害。當前,用戶的真實需求使得電子煙有足夠的市場潛力,同時,政府的監管實際上在行業中起著規范作用,并承認行業的發展。從這2個角度看,電子煙行業肯定會有長遠發展。因此,對電子煙濾芯材料的改良,減少有害物質的吸入具有一定意義。一個行業的前景不僅取決于世界的變化,還取決于每個行業將如何發展。如果電子煙行業的人們能夠進行改革創新,大大降低電子煙的危害,找到新的出路,也許電子煙行業的前景會更加光明!