電子煙濾芯材料研究進(jìn)展

闞 佩,薛 濤,龍 飛,趙天馳

(西安工程大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)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(qū)動(dòng)的霧化器,主要通過(guò)加熱電子油艙中的煙液以氣體的方式吸入人體內(nèi),與傳統(tǒng)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(xiǎn)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(duì)尼古丁的成癮性,所以在吸食電子煙的時(shí)候,并不減少吸入尼古丁的含量,因而對(duì)煙草的依賴沒(méi)有減低。所以目前來(lái)看吸電子煙是否能戒煙在國(guó)際上還有爭(zhēng)論,但是從它的機(jī)理看,可以減少吸香煙造成的危害。因此,對(duì)電子煙濾芯材料進(jìn)行優(yōu)化與探索,減少其對(duì)人體的危害很有必要。

1 濾芯新材料

常用的煙嘴過(guò)濾材料是白色納米過(guò)濾海綿,主要用于電子煙及各種煙嘴,起到對(duì)煙、焦油等的過(guò)濾作用。探討將新型材料用于電子煙內(nèi)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(huán)境的同時(shí)在煙液的蒸發(fā)過(guò)程中起到一定的過(guò)濾作用,減少危害,圖1為濾芯材料實(shí)物圖。

圖1 濾芯新材料實(shí)物圖

1.1 芳綸

芳綸(聚苯二甲酰苯二胺)是一種集高強(qiáng)度、耐高溫、耐酸堿、絕緣和抗老化等諸多優(yōu)良性能于一體的新型高科技合成纖維,廣泛應(yīng)用于復(fù)合材料、特種防護(hù)服裝、電子設(shè)備等相關(guān)領(lǐng)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(yōu)異的阻燃性和耐熱性。當(dāng)溫度低于205 ℃時(shí),耐熱性可多次使用,當(dāng)溫度高于205 ℃時(shí),仍能保證高強(qiáng)度,同時(shí)間位芳綸的高分解溫度能保證其不會(huì)在高溫條件下發(fā)生熔融現(xiàn)象。此外,間位芳綸纖維還具有優(yōu)異的耐大多數(shù)化學(xué)品性能,可耐高濃度無(wú)機(jī)酸,室溫下耐堿性良好。其具有的優(yōu)點(diǎn)可以保證通過(guò)針刺法加固的纖維間相互纏結(jié)抱合形成的濾料蓬松且具有大量微孔的結(jié)構(gòu)能夠用于電子煙濾芯的材料,滿足高溫同時(shí)起到過(guò)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(wěn)定的呈自然金黃色的纖維材料。P84纖維特性因其纖維的細(xì)度而顯著,且因不規(guī)則的纖維截面結(jié)構(gòu)為異形(葉型)使得其纖維表面積達(dá)到最大,過(guò)濾性能優(yōu)良[3]。同時(shí),P84聚酰亞胺纖維耐熱性能穩(wěn)定,由其制備的過(guò)濾材料最高耐熱溫度可達(dá)260 ℃且其機(jī)械性能不會(huì)發(fā)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(yīng)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(fā)揮各纖維的作用。但P84 相比于同類纖維價(jià)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(xiàn)為無(wú)毒、無(wú)臭、無(wú)味的乳白色高結(jié)晶,重量較輕。聚丙烯主要用于生產(chǎn)熔噴布,也是口罩最核心的來(lái)源,纖維直徑可以達(dá)到1～5μm,具有獨(dú)特的毛細(xì)結(jié)構(gòu),孔隙多、結(jié)構(gòu)蓬松、抗皺性好,增加了單位面積纖維的數(shù)量和表面積,使熔噴布具有良好的過(guò)濾、屏蔽、隔熱和吸油性能,可用于空氣和液體過(guò)濾材料、隔離材料、口罩材料、保暖材料、吸油材料等領(lǐng)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(huán)上的大部分或全部羥基都是乙酰化的,醋酯纖維的縱向?yàn)楦接袟l紋的光滑圓柱形,橫斷面為橢圓形。由于結(jié)晶度和側(cè)序較低的原因?qū)е麓姿崂w維的斷裂強(qiáng)度較差,濕態(tài)斷裂強(qiáng)度更差,但具有較高的斷裂伸長(zhǎng)率,彈性回復(fù)率遠(yuǎn)好于黏膠纖維,同時(shí)具有良好的熱穩(wěn)定性、吸濕性、透氣性等諸多優(yōu)點(diǎn),深受服裝設(shè)計(jì)行業(yè)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(jīng)紡絲或制成薄膜后切割或原纖化而制得。在分子結(jié)構(gòu)上,氟原子的體積大于氫原子,整個(gè)碳-碳主鏈因氟碳鍵的強(qiáng)結(jié)合力保持穩(wěn)定,碳-碳主鏈的穩(wěn)定性使得聚四氟乙烯纖維與其他合成纖維相比具有優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性和更好的耐腐蝕性,同時(shí)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(dǎo)熱性和耐磨性較差,熱膨脹系數(shù)大,易產(chǎn)生靜電,主要用作高溫粉塵濾袋、過(guò)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(rùn)滑軸承、制堿用全氟離子交換膜加固、火箭發(fā)射臺(tái)篷布等。

2 制備工藝

2.1 熔噴法

熔噴法是一種制備超細(xì)纖維非織造布的加工方法,與靜電紡絲原理有些類似,通過(guò)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(jiǎn)潔,可直接將紡絲紡成無(wú)紡布,工藝原理如圖2 所示。240 ℃溫度下,聚合物母料在擠出機(jī)中變成熔融狀態(tài),熔體通過(guò)計(jì)量泵到達(dá)熔噴模頭,計(jì)量泵測(cè)量到噴嘴的熔體流量輸出。噴絲頭為一排毛細(xì)管,間距小于1 mm,直徑0.2～0.4 mm。毛細(xì)管兩側(cè)為進(jìn)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(zhǎng)絲牽伸至直徑1～10μm,根據(jù)其物理特性將這種網(wǎng)稱為超細(xì)纖維網(wǎng)。當(dāng)熱空氣向下流動(dòng)時(shí),它與周圍空氣混合以冷卻纖維,最終凝固成短而細(xì)的纖維,同時(shí)能將纖維分布于三維立體結(jié)構(gòu)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(chǎng)下,在電場(chǎng)作用下進(jìn)行噴射紡絲的纖維制造工藝。通過(guò)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(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離流動(dòng),最終凝固成纖維,具有孔隙小、孔隙率高、比表面積大等優(yōu)點(diǎn),廣泛用于環(huán)境保護(hù)、智能紡織品及能量轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域,原理如圖3所示。在電場(chǎng)的作用下,針尖處的液滴由球形變?yōu)閳A錐形,并從圓錐形尖端延伸得到纖維長(zhǎng)絲,一般納米級(jí)直徑的聚合物長(zhǎng)絲均可以通過(guò)靜電紡絲方法制得。耐高溫的聚酰亞胺纖維類過(guò)濾材料一般都采用此方法以及與其他工藝相結(jié)合,制備符合性能的過(guò)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(shù)[14]是通過(guò)針在纖維網(wǎng)中的往復(fù)穿刺,形成具有一定面積密度和強(qiáng)度的非織造材料,實(shí)現(xiàn)纖維網(wǎng)的機(jī)械增強(qiáng),在非織造生產(chǎn)線中占據(jù)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(duì)纖網(wǎng)進(jìn)行反復(fù)穿刺。纖維網(wǎng)表面和局部?jī)?nèi)層的纖維隨著倒鉤穿過(guò)纖維網(wǎng)被壓入纖維網(wǎng),松弛的纖維網(wǎng)會(huì)因纖維之間的摩擦作用而被壓縮,插入的纖維束不會(huì)隨著針的抽出而離開,而是保留在纖維網(wǎng)中。通過(guò)這種方式,纖維網(wǎng)上會(huì)存在越來(lái)越多的纖維束,纖維網(wǎng)中的纖維相互纏繞,纖維網(wǎng)的整體強(qiáng)度慢慢增強(qiáng),最終形成具有一定強(qiáng)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(guò)濾性和機(jī)械性能,廣泛用于制造工業(yè)和家用非織造布,如過(guò)濾材料、建筑防水材料、紙?zhí)旱取Ｖ性W(xué)院趙博測(cè)試了聚丙烯非織造針刺濾料的性能,試驗(yàn)結(jié)果表明,聚丙烯非織造針刺過(guò)濾材料具有獨(dú)特的性能,適合開發(fā)各種功能性過(guò)濾產(chǎn)品,應(yīng)用廣泛[15]。

圖4 針刺法原理示意圖

3 結(jié)束語(yǔ)

電子煙在一定程度上所含危害物質(zhì)比香煙要少,不產(chǎn)生異味,在滿足吸煙者對(duì)尼古丁需求的同時(shí)不產(chǎn)生有毒煙霧,減少了對(duì)環(huán)境污染及身邊人吸二手煙的危害。當(dāng)前,用戶的真實(shí)需求使得電子煙有足夠的市場(chǎng)潛力,同時(shí),政府的監(jiān)管實(shí)際上在行業(yè)中起著規(guī)范作用,并承認(rèn)行業(yè)的發(fā)展。從這2個(gè)角度看,電子煙行業(yè)肯定會(huì)有長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展。因此,對(duì)電子煙濾芯材料的改良,減少有害物質(zhì)的吸入具有一定意義。一個(gè)行業(yè)的前景不僅取決于世界的變化,還取決于每個(gè)行業(yè)將如何發(fā)展。如果電子煙行業(yè)的人們能夠進(jìn)行改革創(chuàng)新,大大降低電子煙的危害,找到新的出路,也許電子煙行業(yè)的前景會(huì)更加光明!