PEG/SiC對PLA材料改性研究及其在加熱卷煙中的應用

曹蕓，王鵬，王成虎，張勁，邢偉義，周慕天，周順,*，王孝峰，張亞平,，張曉宇，李延巖，管明婧，陳剛，宮向群，胡源

煙草與煙氣化學

PEG/SiC對PLA材料改性研究及其在加熱卷煙中的應用

曹蕓1，王鵬1，王成虎1，張勁1，邢偉義3，周慕天3，周順1,2*，王孝峰1，張亞平1,2，張曉宇1，李延巖1，管明婧1，陳剛2，宮向群1，胡源3

1 安徽中煙工業有限責任公司，煙草行業燃燒熱解研究重點實驗室，合肥市高新區天達路9號 230088；2 安徽中煙工業有限責任公司，煙草化學安徽省重點實驗室，合肥市高新區天達路9號 230088；3 中國科學技術大學，火災科學國家重點實驗室，合肥市蜀山區金寨路96號 230026

【】加熱卷煙煙支結構較短，入口煙氣溫度相對傳統卷煙較高，需添加降溫材料以降低煙氣溫度。通過對聚乳酸（PLA）材料進行改性處理，以開發出適用于加熱卷煙用的降溫材料。【】采用熔融擠出方法制備聚乙二醇（PEG）/碳化硅（SiC）改性PLA復合材料，利用拉伸機、熱重（TG）、差示掃描量熱儀（DSC）與加熱卷煙吸煙機考察復合材料力學性能、熱特性以及對煙氣降溫效果、關鍵成分釋放的影響。【】（1）較純相PLA而言，添加PEG后復合材料拉伸強度、沖擊強度明顯下降，熔融指數與斷裂延伸率增大，韌性增強；進一步添加SiC后，復合材料斷裂延伸率與熔融指數減小。（2）添加PEG后，復合材料起始熱分解溫度降低，20%添加量下DSC曲線在53.32℃處出現主吸熱峰，熱焓變化值為48.63 J/g；加入SiC后，該峰熱焓變化值減小，主吸熱峰轉至PLA熔融吸熱峰處。（3）逐口煙氣溫度隨PEG含量增加呈明顯降低趨勢，加入SiC后，復合材料導熱系數增大，對煙氣降溫效果進一步提高；添加改性復合材料后，主流煙氣中總粒相物、煙堿、水分、甘油含量降低，CO釋放量變化不明顯，不同改性樣品間各成分釋放差異較小。【】利用PEG、SiC對PLA進行改性處理，可有效提升對煙氣的降溫效果。

復合降溫材料；煙氣溫度；PLA；PEG；SiC

加熱卷煙是在較低溫度下對煙草材料進行加熱，使煙草材料中的香味物質、煙堿等成分釋放出來，以滿足抽煙者的生理需求。較低的加熱溫度避免了因燃燒而產生的焦油等有害物質生成[1-4]。市售加熱卷煙煙支長度較短，入口煙氣溫度較高，對消費者口腔黏膜、氣管黏膜等可能造成損傷，存在一定的安全性隱 患[5-7]。因此，需對煙支進行降溫處理，以提高消費者抽吸體驗。

目前對煙氣的降溫方式主要可分為添加相變降溫材料和煙支結構設計兩大類[8]。由于PLA具有無毒無害、受熱相變無異味產生、生物可降解等一系列優點，最早被菲利普·莫里斯公司應用于加熱卷煙中作為煙氣降溫材料，也是目前各煙草公司煙氣降溫材料的首選[8-10]。但片狀PLA受熱后易產生收縮，使煙氣流通受阻，且PLA導熱性較差，抽吸時煙氣流速較快，對熱量的傳遞效果較差，這都對煙氣的降溫效果產生影響[11]，如何提高PLA材料熱穩定性與導熱性，以提高對煙氣的降溫效果成為目前降溫材料研究熱點之一[12-14]，而SiC因具有較高的導熱率和一定的韌性常被用作為高分子材料改性劑，以提高基材導熱性能[15-16]。

PEG因具有安全無毒、相變溫度低、相變焓大等一系列特點[8]，成為繼PLA后的又一類具有良好降溫效果的材料。羅瑋等[17-18]報道了一種基于PEG的改性復合材料，通過將不同分子量的PEG負載于纖維素紙中，通過濾棒成型工藝制備具有降溫效果的降溫濾棒，但由于其相變溫度點過低，通常需涂覆于耐高溫基材上進行應用[19-20]。

本文采用熔融擠出方法，利用PEG與SiC對PLA進行復合改性，研究PEG對PLA力學性能與低溫相變焓的影響，通過進一步添加SiC，提高其對PLA熱穩定性以及導熱性，并在同一加熱煙具條件下，探討復合材料對煙氣降溫效果以及對煙氣中關鍵成分釋放的影響規律，旨在為加熱卷煙產品設計提供指導。

1 材料與方法

1.1 材料和儀器

聚乳酸（山東圣和），聚乙二醇2000（天津中和盛泰化工有限公司），SiC（粒徑1～2 μm），TAQ5000熱重分析儀（美國TA儀器公司）；Q2000差示掃描量熱儀（美國TA公司）；TC 3000E型導熱系數測試儀（西安夏溪電子科技有限公司）；擠出設備（LSSJ?20雙螺桿擠出機）；拉伸機（YF?900，揚州市源峰檢測設備有限公司）；熔體流動速率測定儀（SRZ?400C，長春市智能儀器設備有限公司）；擺錘式沖擊試驗機（ZBC?1400A，美特斯工業系統（中國）有限公司）；掃描電子顯微鏡（Hitachi SU8200，日本）；加熱卷煙吸煙機（SML600E&H）；氣相色譜（Agilent 7890A），氣相色譜（Agilent 6890N），BP?21毛細管柱，FID檢測器，RV-300A熱變形維卡軟化點溫度測定儀（承德精密試驗機有限公司）。

1.2 PEG/PLA與（PEG+SiC）/PLA復合材料制備

將PLA、PEG與SiC按照表1比例先密煉共混，再利用雙螺桿擠出設備進行擠出，螺桿轉速為50 r/min，喂料速度為30 g/cm，雙螺桿擠出設備共有7個加熱區域，各區域設置溫度依次為100℃、145℃、145℃、150℃、130℃、145℃、110℃，空氣慢冷后將試樣條切割成顆粒。

表1 PEG改性PLA復合材料各組分配比

Tab.1 The ratio of components of PEG?PLA composite material %

編號PLAPEGSiC 110000 290100 380200 478202 575205

1.3 復合材料測試表征

1.3.1 導熱系數測試[21]

利用瞬態熱線法測量復合材料導熱系數。將顆粒狀復合材料均勻鋪覆于熱傳感器上，測試條件為1 V、300 K，數據采集時間為5 s。重復測試5次，取平均值作為最終測試結果。

1.3.2 SEM測試

將顆粒狀復合材料置于液氮中充分冷凍，再將淬斷后的復合材料樣品進行噴金處理，觀察斷面微觀形貌。

1.3.3 力學性能測試

拉伸性能測試按照GB 1040.3/2006塑料拉伸測試方法，在萬能電子拉力機上測試。試樣尺寸為啞鈴型標準樣條，樣條寬4 mm，厚1 mm，拉伸速度100 mm/ min。

沖擊測試按照GB/T1843—2008懸臂梁沖擊試驗方法測試，在擺錘式沖擊試驗機上測試。式樣尺寸為80 mm×10 mm×3 mm，沖擊能量為4 J。

復合材料的拉伸強度、斷裂伸長率和沖擊強度通過實驗試樣的平均值獲得，每個條件下取5個樣，取平均值。

1.3.4 熔體流動性測試

樣品熔融指數按照GB 3682技術要求，在熔體流動速率測定儀上測試。Pb值為2.7，溫度為190℃，加料時間1 min，料樣溫度恢復4 min，壓料時間1 min，樣品每次切割時間為5 s。

1.3.5 熱重測試

稱取（12±2）mg顆粒狀復合材料置于坩堝中，在空氣氛圍下，以10 ℃/min的升溫速率從30℃升溫至800 ℃，載氣流速為50 mL/min。

1.3.6 DSC測試

使用Q2000差示掃描量熱儀，以10℃/min速率從0℃升溫至200℃，同速率進行降溫，測試氣氛為氮氣。

1.3.7 維卡軟化溫度測試

放置50 N的砝碼，以50℃/h的升溫速率升溫，當測試試樣被1 mm2針頭壓入1 mm時的溫度即為維卡軟化點，樣片尺寸為10 mm×10 mm×3 mm，疊合層數1層。

1.3.8 煙氣溫度與關鍵成分測試

煙氣溫度：稱取（300±5）mg降溫材料于顆粒型加熱卷煙降溫段中，利用熱電偶測試煙氣溫度。將煙支插入至加熱煙具中，濾嘴端插入至等直徑的劍橋濾片捕集器端口，濾嘴端面距離測溫熱電偶4.5 mm，啟動煙具完成預熱后開始抽吸，抽吸容量35 mL，抽吸間隔28 s，抽吸時間2 s，共抽吸12口，每個樣品煙支測3次，取3次測試結果平均值為最終煙氣溫度。

煙氣關鍵成分：相同抽吸模式下抽吸3支樣品煙支，利用劍橋濾片捕集煙氣，以抽吸前后濾片質量差為總粒相物質量；煙堿測試方法參照GB/T 23355—2009；水分測試方法參照GB/T 23203.1—2008；甘油測試時將劍橋濾片用乙醇震蕩萃取1 h，取上清液于氣相色譜進行檢測；吸煙機配有CO檢測模塊，可直接給出CO釋放量。所有煙氣成分測試均平行進行2次，取兩次平均值為最終測試結果。

1.3.9 TG?FTIR測試

稱取（12±2）mg樣品置于坩堝中，以10℃/min的升溫速率從30℃升溫至400℃并保持1 min，載氣流速為50 mL/min，利用傳輸管道將熱重與紅外分析儀連接，傳輸管溫度設置為250℃，熱解產物進入氣體樣品池中進行實時檢測，測試波數范圍為450～4000 cm-1，掃描頻率32次/s，分辨率為4 cm-1。

2 結果與討論

2.1 力學性能與熔體流動性

2.1.1 PEG/PLA復合材料

表2為不同比例PEG改性PLA復合材料力學性能與熔融指數測試結果。從表中可看出添加10% PEG后，復合材料拉伸強度、沖擊強度均發生降低，且添加量越大，降低幅度越大，這是由于PEG進入PLA大分子后，降低了PLA大分子之間的作用力，增加了聚合物的自由體積和分子鏈的流動性，使得拉伸強度下降，同時非晶區由于分子間作用力減少而形成微裂紋，當外力沖擊時裂紋處易產生應力集中，導致復合材料沖擊強度降低[22-23]。斷裂延伸率隨PEG含量增加呈先增大后減小趨勢，圖1顯示10% PEG?PLA復合材料斷面整體光滑平整，說明兩相相容性較好，且斷裂處有明顯拔出現象，呈明顯韌性斷裂，而20%添加下，斷面凹凸不平，呈明顯脆性斷裂，說明適量PEG對PLA具有增韌作用，含量過高會反而會降低增韌效果。熔融指數隨PEG含量增加呈明顯增大趨勢，維卡軟化溫度則逐漸減小，說明材料抗熱塌陷能力減弱，可能是由于PEG破化了PLA分子鏈結構，且PEG熔點較低造成的。

表2 PEG改性PLA復合材料力學性能與熔融指數測試結果

Tab.2 The results of mechanical properties and melt index of PEG-modified PLA composite

2.1.2 （PEG+SiC）/PLA復合材料

表3為不同比例SiC改性20% PEG?PLA復合材料力學性能與熔融指數測試結果。對比看出，添加SiC后，復合材料拉伸強度與斷裂伸長率降低，說明韌性變差，熔融指數減小，且隨添加量增加減小幅度越大，說明SiC對PEG?PLA復合材料分子鏈的流動產生了阻礙作用。沖擊強度隨SiC含量增加而增大，主要是由于SiC粒子可吸收部分沖擊能量。

表3 SiC改性PEG/PLA復合材料力學性能與熔融指數測試結果

Tab.3 The results of mechanical properties and melt index of SiC-modified PEG?PLA composite

2.2 熱特性結果分析

2.2.1 TG結果分析

熱穩定性是評價加熱卷煙降溫材料的重要指標之一，圖2為改性樣品TG曲線圖。以樣品失重5%時對應的溫度為起始失重溫度。從圖A可看出，PLA失重溫區為270～380℃，添加PEG后，樣品失重溫區增大至230～415℃，起始失重溫度向低溫區移動約58.9℃，不同添加量間差異較小，這是由于PEG的引入破壞了PLA分子鏈整體結構，且其熔沸點較低。加入SiC后，TG曲線整體向高溫區移動，復合材料起始失重溫度升高，不同添加量間差異不明顯，說明添加SiC后提高了PLA?PEG復合材料熱穩定性。

圖2 復合材料TG曲線圖((A):PEG?PLA, (B):SiC?PEG?PLA)

2.2.2 DSC結果分析

基于熱重結果，對20%PEG?PLA以及5%SiC? PEG?PLA復合材料進行DSC測試，結果如圖3、4。可看出，單一PLA樣品DSC曲線中出現兩處吸熱峰，位于53.0℃吸熱峰為PLA玻璃化轉變溫度，位于148.8℃吸熱峰則為PLA熔融吸熱峰，熱焓變化值為2.20 J/g，100.15～114.55℃處出現微弱放熱峰，對應于PLA冷結晶峰。加入20% PEG后，復合材料玻璃化轉變峰與冷結晶峰消失，可能是由于PEG使PLA分子鏈運動能力提高[24]，熔融峰位置則向高溫區稍有移動，同時在48.65℃處增加一吸熱峰，也為DSC曲線最大吸熱峰，熱焓變化值為48.63 J/g。由于PEG與PLA共混時是以物理鍵合的方式連接，二者結合能力較弱，且有文獻研究表明在100℃加熱條件下，PEG即可緩慢滲透至復合材料表面揮發[25]，結合PEG熔點，猜測該處吸熱峰為PEG熔融吸熱峰。由此說明PEG提高了PLA在低溫下的焓變值，有利于提高復合材料在低溫下對熱量的吸收能力。

圖3 PLA與PEG-PLA復合材料DSC曲線圖

進一步添加5% SiC后，復合材料導熱系數較PEG?PLA復合材料增加23.4%（表4）。圖4的DSC曲線顯示，較20% PEG?PLA復合材料而言，添加SiC后材料熔融吸熱峰減小，熱焓變化值減小至1.35 J/g，熔融吸熱峰則向高溫區略有偏移，成為主要吸熱峰，熔融焓變值由0.44 J/g增大至18.30 J/g，說明SiC的添加使20% PEG?PLA復合材料在低溫下對熱量的吸收能力減弱，結合熱重測試結果猜測，這可能是由于無機填料的加入使得基材分子鏈移動受限，熱穩定性提高，同時β?SiC表面層具有較多親水基團[26]，與PEG可能發生了某種程度的耦合，使得游離態PEG含量減少，受熱時低溫下的相變焓減小。

表4 PLA與改性復合材料導熱系數測試結果

Tab.4 Test results of thermal conductivity of PLA and modified composite materials

2.3 煙氣溫度與關鍵成分測試結果分析

圖5為PLA及其改性材料煙氣溫度測試結果。圖中各樣品逐口煙氣溫度曲線變化趨勢一致，約在第三、第四口達到最大煙氣溫度，隨后煙氣溫度降低，這是由加熱煙具溫控設置造成的。純PLA粒子在第三口達到最高煙氣溫度47.67℃，隨PEG含量增加，逐口煙氣溫度發生明顯降低，且減低程度與PEG含量呈正比變化趨勢，20% PEG?PLA樣品最高煙氣溫度約為39.03℃，降低幅度達到18%，說明PEG的添加有利于提高煙氣降溫效果，結合DSC測試結果猜測可能是由于PEG在低溫下相變焓較大，高溫煙氣流經材料后，熱量可被快速吸收。

添加SiC后復合材料對煙氣的降溫效果進一步提高，最高煙氣溫度僅為36.83℃，較20% PEG?PLA復合材料進一步降低5.6%。導熱系數測試結果顯示，隨SiC含量增加，復合材料導熱系數逐漸增大。DSC結果顯示，SiC的添加降低了復合材料在低溫下的相變焓值，但對煙氣的降溫效果卻優于20% PEG?PLA復合材料。這可能是由于煙氣經過降溫材料時流速較快，因此發生熱量交換時間相對較短，而SiC的添加提高了復合材料導熱性，加快了復合材料與煙氣的熱交換，從而提高了復合材料對煙氣的降溫效果。因此，提高復合材料導熱性是提高材料對煙氣降溫效果的有效方法。

圖5 添加復合材料后逐口煙氣溫度測試結果

降溫材料在降低煙氣溫度的同時會使得煙氣中物質冷凝截留。由于煙堿含量對產品勁頭影響較大，甘油作為霧化劑，對煙霧釋放量具有一定影響，而水分對煙氣溫度具有明顯影響。因此，本文選擇煙堿、水分、甘油、粒相物以及CO為評價指標，對降溫材料截留效果進行研究。表5為添加PLA、20% PEG?PLA以及5% SiC?PEG?PLA降溫材料后各成分測試結果。按照下述公式進行截留率測試。

其中M為純PLA樣品煙氣中各成分質量，為改性樣品中對應成分質量。表5可看出，相比于純PLA而言，煙氣流經20% PEG?PLA復合材料后，煙氣中大部分關鍵成分含量降低，CO釋放量變化不明顯，說明對煙氣中部分成分截留增大。計算結果表明，5% SiC含量降溫材料對于水分與甘油的截留率較未添加SiC樣品減小，對煙堿的截留率則增大。有研究表明，PEG改性PLA復合材料親水性提高[27]，因此可能對水、甘油等多羥基分子吸附性提高。DSC結果顯示，添加SiC后，PEG低溫相變焓大幅減小，可能是SiC與PEG發生耦合作用，使得與PLA基材直接接觸的PEG含量降低，對煙氣中水分、甘油的吸附量略有減小。較純PLA而言，添加PEG后，煙氣中總粒相物與水分含量明顯降低，煙堿、甘油、CO釋放量變化不明顯，進一步添加SiC后，煙氣中各成分變化不 明顯。

表5 添加復合材料后煙氣中關鍵成分測試結果

Tab.5 Test results of key components in flue gas after addition of composite materials

2.4 TG?FTIR測試結果分析

圖6為PLA以及PLA改性材料在不同加熱溫度下紅外光譜圖。在200℃以下時，PLA及其改性復合材料受熱后釋放物主要在2250～2400 cm-1處出現特征吸收峰，結合文獻可知該峰為CO2特征吸收峰[28]。加熱至250℃時，20%PEG-PLA復合材料在1206～1264 cm-1、1764～1822 cm-1處出現微弱特征吸收峰，分別對應于C-O伸展振動和C=O伸縮振動吸收峰[28]，結合熱重結果可知，PEG-PLA改性復合材料在該溫度下已開始分解失重。PLA與5%SiC-PEG-PLA復合材料紅外曲線在300℃時1740～1856 cm-1處特征吸收峰出現。350℃時，紅外曲線顯示氣相產物明顯增多，結合熱重結果可知，復合材料在該溫度下劇烈分解失重。加熱卷煙近煙芯段煙氣溫度一般不高于200℃，TG?FTIR結果表明，PEG與SiC改性PLA復合材料在該溫度下氣相產物以CO2為主，未見有害氣相物質生成，在加熱卷煙降溫段中應用較為安全。

圖6 不同溫度條件下復合材料TG?FTIR曲線

3 結論

（1）與純相PLA而言，添加PEG使得PLA分子鏈整體結構受到破化，拉伸強度、沖擊強度等力學性能明顯下降，熔融指數增大，說明材料受熱后抗熱塌陷能力減小，韌性稍有改善；SiC可提高PEG?PLA復合材料抗熱塌陷能力，但同時會降低其韌性。

（2）PEG的添加使PLA起始熱解溫度向低溫區移動約60℃，添加SiC后PEG?PLA復合材料起始熱分解溫度又向高溫區移動，這是由于粒子在基材中對PLA分子鏈的移動具有一定阻礙作用，說明粒子的加入可提高復合材料熱穩定性；PEG的添加提高了復合材料低溫下吸熱能力，加入SiC復合材料導熱性明顯提高，PEG低溫熔融吸熱峰減小，PLA熔融吸熱峰增大。

（3）PEG的添加提高了PLA對煙氣的降溫效果，且添加量越大，降溫效果越好，SiC可提高PEG?PLA導熱性，進一步提高復合材料對煙氣的降溫效果，結合DSC測試結果看，提高復合材料導熱性以提升降溫效果相比于提高低溫焓變值更有效；較純PLA而言，添加PEG后，煙氣中總粒相物與水分含量明顯降低，煙堿、甘油、CO釋放量變化不明顯，進一步添加SiC后，煙氣中各成分變化不明顯。

[1] 孫學輝，趙樂，王宜鵬，等. 無煙氣煙草制品的發展現狀和趨勢[J]. 煙草科技，2015, 48(11): 83-90.

SUN Xuehui, ZHAO Le, WANG Yipeng, et al. Status quo and development trend of smokeless tobacco products[J]. Tobacco Science & Technology, 2015, 48(11):83-90.

[2] 陳超英. 變革與挑戰:新型煙草制品發展展望[J]. 中國煙草學報，2017, 23(3): 14-18.

CHEN Chaoying. Change and challenge:outlook for development of new tobacco products. ACTA Tabacaria Sinica, 2017, 23(3): 14-18.

[3] 竇玉青，沈軼，楊舉田，等. 新型煙草制品發展現狀及展望[J].中國煙草科學，2016, 37(5): 92-97.

DOU Yuqing, SHEN Yi, YANG Jutian, et al. The development and prospect of novel tobacco products [J]. Chinese Tobacco Science, 2016, 37(05): 92-97.

[4] 金鑫. 新型煙草制品發展狀態及預測[J]. 中國市場，2019(12): 59-60.

JIN Xin. Development status and forecast of new tobacco products[J]. China Market, 2019(12): 59-60.

[5] Zuber G, Meyer C, Sanna D, et al. Aerosol-generating article having an aerosol-cooling element: US201214378466[P]. 2012-12-28.

[6] Islami F, Pourshams A, Nasrollahzadeh D,et al.Tea drinking habits and oesophagea-l cancer in a high risk area in northern Iran: population based case-control study[J]. British Medical Journal, 2009, 338(7699): b929(1-8).

[7] De Jong U W, Day N E, Mounier-Kuhn P L, et al. The relationship between the ingestion of hot coffee and intraoesophagealtempe- rature[J]. Gut, 1972,13(1):24-30.

[8] 郭新月，楊占平，宋曉梅，等. 加熱不燃燒卷煙煙氣降溫技術研究進展[J]. 中國煙草學報，2020, 26(3): 24-32.

GUO Xinyue, YANG Zhanping, SONG Xiaomei, et al. Research progress of cooling technology of heat-not-burn cigarette smoke[J]. Acta Tabacaria Sinica, 2020, 26(3):24-32.

[9] 孫浩程，崔玉磊，王宜迪，等. 生物基可降解塑料物理改性研究進展[J]. 現代塑料加工應用，2021, 33(1): 56-59.

SUN Haocheng, CUI Yulei, WANG Yidi, et al. Research Progress on Physical Modification of Bio-Based Degradable Plastics[J]. Modern Plastics Processing and Applications. 2021, 33(1):56-59.

[10] 杜璐璐，孟維曉，謝延林，等. 聚乳酸增韌研究進展[J]. 化工新型材料，2021, 49(2): 48-51.

DU Lulu, MENG Weixiao, XIE Yanlin, et al. Research progress on PLA toughening[J]. New Chemical Materials. 2021, 49(2):48-51.

[11] 劉冰，陳義坤，柯煒昌，等. 一種改進的降溫濾棒以及含有該濾棒的低溫卷煙：201810637872.7[P]. 2018-06-20.

LIU Bing, CHEN Yikun, KE Weichang, et al. An improved cooling filter rod and a low-temperature cigarette containing the filter rod:201810637872.7[P]. 2018-06-20.

[12] 楊光遠，歐陽綱，李世健，等. SEBS、PP與PLA的共混改性及加熱不燃燒煙氣降溫應用[J]. 塑料工業，2020, 48(7): 29-33.

YANG Guangyuan, OUYANG Gang, LI Shijian, et al. Blending modification of SEBS,PP and PLA and application of heating and non burning smoke cooling. China Plastics Industry, 2020, 48(7): 29-33.

[13] 王東岳，雷萍，楊仁裕，等. 加熱非燃燒卷煙降溫材料用聚乳酸及其復合物的性能[J]. 高分子材料科學與工程，2020, 36(4): 21-28.

WANG Dongyue, LEI Ping, YANG Renyu, et al. Properties of Polylactic Acid and Its Composites for Heating Non-Combustion Cigarette Cooling Materials[J]. Polymer Materials Science & Engineering. 2020, 36(04):21-28.

[14] 雷萍，袁明偉，尚善齋，等. 聚乳酸降溫膜的研究[J]. 云南民族大學學報（自然科學版），2018, 27(1): 27-30.

LEI Ping,YUAN Weiming, SHANG Shanzhai, et al. Properties of polylactic acid and its composites for heating non-combustion cigarette cooling material[J]. Journal of Yunnan Minzu University (Natural Sciences Edition), 2018, 27(1): 27-30.

[15] 顧軍渭，張秋禹，王小強. 碳化硅/環氧樹脂導熱復合材料的制備與性能[J]. 中國膠粘劑，2010, 19(12): 18-22.

GU Junwei, ZHANG Qiuyu, WANG Xiaoqiang. Preparation and properties of SiC/LLDPE thermal conductivity composites[J]. China Adhesives. 2010, 19(12): 18-22.

[16] 吳逸涵，范宗良. Si3N4/SiC/環氧樹脂納米導熱復合材料的制 備[J]. 塑料工業，2015, 43(12):110-112.

WU Yihan, FAN Zongliang. Preparation of thermal conductive Si3N4/SiC/epoxy composite[J]. China Plastics Industry, 2015, 43(12): 110-112.

[17] 羅瑋，鐘科軍，杜文，等. 一種降溫嘴棒及卷煙：201810970483. 6[P]. 2018-08-24.

LUO Wei, ZHONG Kejun, DU Wen, et al. A cooling rod and a cigarette:201810970483.6[P]. 2018-08-24.

[18] 羅瑋，謝國勇，任建新，等. 一種降溫嘴棒及加熱不燃燒卷煙：201811532411.X[P]. 2018-12-14.

LUO Wei, XIE Guoyong, REN Jianxin, et al. A cooling rod and a heat-not-burn cigarette:201811532411.X[P]. 2018-12-14.

[19] 楊濤，楊紫剛，范馨雷，等. 一種用于降低煙氣溫度低吸阻聚乳酸絲束濾棒的制備方法：201810352351.7[P]. 2018-04-19.

YANG Tao, YANG Zigang, FAN Xinlei, et al. A low suction resistance poly(lactic acid) tow filter rod that used in reducing the temperature of flue gas and its preparation: 201810352351.7[P]. 2018-04-19.

[20] 王珍，楊濤，沈彥文，等. 煙氣溫度和釋放香味的紙管及其用途：201711427033.4[P]. 2017-12-26.

WANG Zhen, YAG Tao, SHEN Yanwen, et al. A paper tube with the functions of reducing the temperature of flue gas and releasing fragrance and its application:201711427033.4[P]. 2017-12-26.

[21] 曹蕓，王鵬，鮑穗，等. 溫度與甘油對煙草顆粒熱解及釋煙特性的影響[J]. 煙草科技，2020, 53(8): 79-85.

CAO Yun, WANG Peng, BAO Sui, et al. Effects of temperature and glycerol on pyrolysis and smoke release of reconstituted tobacco particle[J]. Tobacco Science & Technology, 2020, 53(8): 79-85.

[22] 張春梅，宋玉，劉雙會，等. 聚乳酸/改性纖維素納米晶的熱穩定性和結晶性能[J]. 工程塑料應用，2020, 48(6): 103-107.

ZHANG Chunmei, SONG Yu, LIU Shuanghui, et al. Thermal stability and crystallization properties of polylactide/modified cellulose nanocrystals[J]. Engineering Plastics Application, 2020, 48(6): 103-107.

[23] 曾潤鵬，方景輝，董智賢. 聚乳酸/碳納米管復合材料的結晶及流變性能[J]. 廣東化工，2021, 48(2): 3-5.

ZENG Runpeng, FANG Jinghui, DONG Zhixian. crystallization properties and rheological behavior of PLA/MWCNTs composites[J]. Guangdong Chemical Industry, 2021, 48(2): 3-5.

[24] 劉文龍，雷英杰，莫曉琴，等. 三種添加物對聚乳酸復合膜性能影響[J]. 包裝工程，2020, 41(17): 71-77.

LIU Wenlong, LEI Yingjie, MO Xiaoqin, et al. Effect of three additives on performance of polylactic acid composite film[J]. Packaging Engineering, 2020, 41(17): 71-77.

[25] 何嬌，曾方，何洪林，等. 聚乙二醇共混改性聚乳酸纖維性能研究[J]. 合成纖維，2020, 49(12): 8-12.

HE Jiao, ZENG Fang, HE Honglin, et al. Study on properties of polylactic acid fiber modified by polyethylene glycol[J]. Synthetic Fiber in China. 2020, 49(12): 8-12.

[26] 顧軍渭，張秋禹，李洪春，等. 鈦酸酯改性納米β?SiCw/賽璐珞復合材料的結構與性能研究[J]. 現代化工，2007(7): 38-41.

GU Junwei, ZHANG Qiuyu, LI Hongchun, et al. Study on structure and mechanical properties of celluloid composites filled with titanate coupling reagent modified nano-β-SiCw[J]. Modern Chemical Industry, 2007(7): 38-41.

[27] 魏詩藝，唐韻韜，柴晨澤，等. 聚乳酸開孔材料研究進展[J]. 中國塑料，2020, 34(10): 100-109.

WEI Shiyi, TANG Yuntao, CHAI Chenze, et al. Research progress in poly(lactica cid) open-cell materials[J]. China Plastic, 2020, 34(10): 100-109.

[28] 李煜，潘源城，林然，等. 制備賴氨酸改性聚乳酸納米纖維支架的性能評價[J]. 中國組織工程研究，2022, 26(16): 2557-2561.

LI Yu, PAN Yuancheng, LIN Ran, et al. Evaluation on the preparation and performance of lysine modified polylactic acid nanofiber stent[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research. 2022, 26(16): 2557-2561.

Study on PEG/SiC modification of PLA material and its application in heated tobacco

CAO Yun1, WANG Peng1, WANG Chenghu1, ZAHNG Jin1, XING Weiyi3, ZHOU Mutian3, ZHOU Shun1,2*, WANG Xiaofeng1, ZHANG Yaping1,2, ZHANG Xiaoyu1, LI Yanyan1, GUAN Mingjing1, CHEN Gang2, GONG Xiangqun1, HU Yuan3

1 Key Laboratory of Combustion & Pyrolysis Study of CNTC, Anhui Tobacco Industrial Co., Ltd., Hefei 230088, China;2 Key Laboratory for Tobacco Chemistry of Anhui Province, Anhui Tobacco Industrial Co., Ltd., Hefei 230088, China;3 State Key Laboratory of Fire Science, University of Science and Technology of China, 96Jinzhai Road, Hefei 230026, China

Heated cigarettes have higher smoke temperature than traditional cigarettes because of shorter stick structure, so cooling materials need to be added to reduce the smoke temperature. In this paper, we developed a cooling material suitable for heating cigarettes by modified polylactic acid (PLA).The stretching machine, thermogravimetry (TG), differential scanning calorimeter (DSC), and heated cigarette smoking machine were used to investigate PLA composite materials modified by polyethylene glycol (PEG)/silicon carbide (SiC) in terms of the mechanical properties, thermal properties, cooling effect, and release of key components in the smoke.(1) Compared with the pure-phase PLA, the composite material had increased fracture elongation and toughness after adding PEG, but the melt index and the resistance to thermal collapse were reduced. After further addition of SiC, the fracture elongation of the composite material decreased and the melt index increased. The toughness was reduced, and the thermal collapse resistance was improved. Compared with pure-phase PLA, the mechanical properties such as tensile strength and impact strength of the composite material decreased significantly after adding PEG. The melt index and elongation at break increased. The elongation at break and the melt index of the composite decreased after further adding SiC. (2) After adding PEG, the initial thermal decomposition temperature of the composite material was reduced, and the main endothermic peak appeared in the DSC curve at 53.32℃ under dosage of 20%, and the enthalpy change value was 48.63 J/g. After the addition of SiC, the variation in enthalpy decreased, while the main endothermic peak shifted to the PLA melting endothermic peak. (3) Compared with pure PLA, the temperature of puff-by-puff flue gas showed a significant decreasing trend with the increase of PEG content. The contents of total particulate matter, nicotine, moisture, and glycerin in mainstream flue gas decreased, whereas the CO release did not change significantly. For the composite material, the thermal conductivity of composite material after adding SiC increased, thus improving cooling effect of the flue gas. . The emissions of total particulate matter, nicotine, moisture, and glycerin content in mainstream flue gas decreased, while the release of CO was almost unchanged compared to the sample without SiC addition. The samples with different dosages of SiC showed insignificant difference in emission amounts.The results of this study show that the use of PEG and SiC to modify PLA can effectively improve the cooling effect of flue gas.

composite cooling material; temperature of smoke; PLA; PEG; SiC

Corresponding author. Email：tobacco_shun@163.com

中國煙草總公司新型煙草制品研制重大專項項目(110201901007 XX-07）；中國煙草總公司重點實驗室項目（110201903002）；安徽中煙工業有限責任公司科技項目（js2019105）（js2020130）

曹蕓（1993—），碩士，工程師，主要從事新型煙草制品和煙草燃燒化學研究，Tel：0551-65738649，Email：yunc61@126.com

周順（1982—），博士，副研究員，主要從事新型煙草制品和煙草燃燒化學研究，Tel：0551-65339078，Email：tobacco_shun@163.com

2021-02-25；

2022-02-21

曹蕓，王鵬，王成虎，等. PEG/SiC對PLA材料改性研究及其在加熱卷煙中的應用[J]. 中國煙草學報，2022，28（3）.CAO Yun, WANG Peng, WANG Chenghu, et al. Study on PEG/SiC modification of PLA material and its application in heated tobacco[J]. Acta Tabacaria Sinica, 2022,28(3). doi: 10.16472/j.chinatobacco.2021.034