一种烟用调温复合材料集合体、制备方法及应用
技术领域
本发明属于烟草技术领域，涉及具有烟气调温功能的复合材料集合体及应用。
背景技术
目前市场上的加热卷烟烟气温度较高，前三口温度可达55-65℃，烟气释放量是传统卷烟的5％，因此其所用嘴棒在降低烟气温度和降低烟气吸附方面仍有待优化。
常规的烟用嘴棒是将烟用丝束材料，如醋酸纤维素、或聚丙烯丝束经滤棒成型机加工而成，其化学物理性质尚无法达到有效降温功能。为了在不显著增加成本、加工简易的情况下，使烟用嘴棒达到烟气调温的目的，对烟用材料本身进行控温改性是理想的实施举措之一。
发明内容
针对前述技术需求，以及现有技术存在的缺陷，本发明的目的是针对烟用丝束滤棒技术的不足，从烟用滤棒的结构组成优化考虑，提供一种具有烟气调温功能的烟用复合材料。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种烟用调温复合材料集合体，所述调温复合材料集合体包括相变胶囊材料和基本材料，相变胶囊分布于基本原料内部或之间。所述相变胶囊材料可以与基本材料均匀物理共混，经纺丝、挤出工艺得到纤维、片材、颗粒集合体，还可以分布于纤维与纤维之间得到烟用丝束滤棒集合体。所述相变胶囊材料通过相变能量转换可以实现对烟气温度的调节，改善烟用基本材料的调温性能，解决纯相变材料在烟用基本材料上应用时出现的相变储热能力降低、溢流安全问题。
利用相变微胶囊，和/或导热材料和或其他相变改性剂等助剂，通过纺丝生产工艺、熔融加工、滤棒成型添加等工艺对烟用基本材料进行共混改性，进而生产具有烟气调温功能的复合材料集合体。
其中，相变微胶囊是一种具有相变调温效果的助剂，芯材为相变材料，在实际应用时利用相变材料“固-液”的变化过程的能量转换，可以实现对烟气温度的调节。相变微胶囊结构稳定，能够解决纯相变材料应用时出现的相变储热能力降低、溢流安全问题。
导热材料可以改善材料的导热问题，提升产品的热交换性能。
添加其他相变改性剂可以进一步改善丝束材料的相变性能，调控材料在不同烟气温度区间的相变潜热。
所述烟用调温复合材料集合体，所用原料包括烟用基本原料、相变胶囊材料，和/或其他助剂；
所述集合体形态可以是纤维、片材、颗粒、丝束滤棒，可以由相变胶囊材料与基本原料均匀共混得到，可以由相变胶囊分布于纤维与纤维之间得到。
所述相变胶囊材料为粒径D90≤30μm的颗粒，优选粒径D90≤10μm，更优选D90≤5μm。所述相变胶囊在Tm的温度下发生相变，Tm的值在10℃-80℃内，优选Tm峰值为25-60℃，更优选Tm峰值(37-58)±2.5℃。相变焓值≥120J/g，优选相变焓值≥150J/g。
所述相变胶囊材料热失重温度≥200℃，耐压强度≥2.0MPa，保障了可以耐受一定的温度与强度，不会发生胶囊壁材破碎，相变材料溢出问题，能够适应不同工艺技术要求。如干法纺丝生产中醋酸纤维素温度最高110℃，卷曲机施加压力和过滤设备中压力。挤出成型的挤压和高温(100-200℃)。
所述基本原料包括二醋酸纤维素、聚丙烯、聚乳酸及以上任意衍生物。所述二醋酸纤维素为取代度为1.5到2.8的醋酸纤维素或者其衍生物，和/或所述二醋酸纤维素的粘度为1.35-1.70dL/g。
所述其他助剂可以为导热材料，包括二氧化钛、碳纳米管、石墨烯、二氧化硅；可以为相变改性剂，如乙二醇类聚合物、乳酸类聚合物、丙烯酸类聚合物及以上衍生物；可以为增塑剂、纺丝油剂，如三醋酸甘油酯、矿物油、乳化剂。
所述烟用调温复合材料集合体中，丝束、片材或颗粒状集合体中基本原料、相变胶囊、其他助剂的重量百分比为(50-95)︰(0.5-50)︰(0.2-30)，优选(85-90)︰(3-10)︰(6-20)。
在不使用其他助剂的情况下：
所述烟用调温复合材料集合体中，丝束、片材或颗粒状集合体中基本原料、相变胶囊、的重量百分比为(50-95)︰(0.5-50)，优选(85-90)︰(3-10)。
滤棒形态集合体至少包括烟用丝束、相变胶囊材料和增塑剂，优选地，每毫米长度的滤棒添加0.2-2mg相变胶囊；滤棒可以是17-24.0mm±0.5mm的圆周。
一种烟用调温复合材料集合体的制备方法，可以为纺丝、熔融挤出和滤棒成型。具体制备过程可以如下步骤进行：
1)如调温复合纤维，可以通过纺丝工艺得到，具体过程为将计量的基本原料，相变胶囊材料和/或其他助剂共混，经纺丝、干燥得到。
所述调温复合纤维的单丝截面，可以包括Y型、X型，R型或其他异形。
所述多根调温纤维形成的丝束带经滤棒成型机成型，可加工制备烟用丝束滤棒，滤棒可以是实心柱状、中空管状。滤棒可以为低吸阻嘴棒，丝束单旦≥6.0den，优选≥8.0den，更优选≥20den。
添加相变微胶囊，和/或导热材料、和/或相变改性剂等其他助剂的烟用复合纤维，纤维物理形态未发生显著变化，可以利用现有滤棒成型设备直接加工，无需显著更改设备。
相对于现有加热卷烟嘴棒的加工技术，本发明调温复合纤维经多孔喷丝帽纺丝、牵伸、上油、卷曲、干燥可形成烟用丝束带，可以实现一步嘴棒成型，所得嘴棒具有结构简单、成本低、易于成型的优势，在加热卷烟上应用时，具有调温、过滤和烟雾量可调等多功能。
2)调温复合颗粒可以通过挤出造粒法得到，具体过程为将基本原料、相变胶囊、和/或其他助剂经混合、塑化并切粒得到。
如醋酸纤维素为原料的调温复合颗粒，相变胶囊耐热温度满足挤出加工温度120-200℃区间(挤出造粒、挤出压延法制备工艺可采用专利CN1113109652A所公开的技术方案，此不赘述)。
所述颗粒截面直径、形状和长度可控可调，颗粒两端可以与空管滤棒复合形成三元空腔结构，颗粒尺寸大于空管的内径可以保证颗粒不发生掉落堵塞现象，可以直接利用现有三元滤棒成型设备进行添加成型，所得复合嘴棒具有成本低、易于成型的优势，在加热卷烟上应用时，具有低吸阻、可降温、低过滤等功能。
3)调温复合片材，可以通过溶剂法、挤出压延法得到，具体过程为将基本原料、相变胶囊、和/或其他助剂共混形成混合物料，将混合物料流延于支撑表面上经干燥形成片材，或将所述混合物料经塑化、挤出、辊压、拉伸加工形成片材，经空气冷却，分切，收卷得到。
所述片材厚度、宽度和长度可调，具有不同的表面积，将该片材作为加热卷烟降温段材料，可以改变烟气流通路程、提供不同烟气吸附面积，具有低吸阻、可降温、低过滤性能。
4)所述调温复合滤棒，可以通过在丝束滤棒成型时一步添加相变胶囊材料、或添加调温纤维、颗粒、片材得到，相变胶囊材料、和其他调温集合体可以分布在纤维与纤维之间的空隙中。
烟用滤棒，是由各个喷丝帽形成的纤维集束而成。纤维态：相变胶囊在纺丝阶段共混，内嵌于纤维的内部或表面。丝束滤棒状：是在滤棒成型时喷洒在纤维与纤维之间。将调温复合材料集合体，与中空嘴棒组合形成复合嘴棒，将其应用于加热卷烟中，能够降低烟气温度，改善烟气感官舒适性。
本发明加工制备工艺中加入了相变胶囊颗粒，提高了高浓(例如40％原相变胶囊水溶液)、大颗粒(例如D90≤3μm)的分散性。
如调温醋酸纤维素纤维的干法纺丝中，实验室单根纤维的制备工艺中---即通过将高浓度(35-40％)的相变胶囊水溶液，先加入少量水降低粘度、提高流动性和易分散性，随后分批加入丙酮使混合溶剂(丙酮、水、相变胶囊)体系能均匀分散，其后加入计量的醋酸纤维素原料得到均匀的混合浆液体系，随后干纺即可。如果反相添加不易分散均匀。
将本发明在加热卷烟应用时，能够降低烟气温度，改善烟气感官舒适性，且加工简便、成本低、易于成型，较现有复合滤棒加工工艺具有优势。
附图说明
图1为本发明含相变胶囊复合丝束实施例的DSC曲线图。
图2为包含本发明烟用调温复合材料集合体的加热卷烟嘴棒实施例的结构示意图。
具体实施方式
本发明公开了一种烟用调温复合材料集合体，所述调温复合材料集合体包括相变胶囊材料和基本材料，所述相变胶囊材料可以与基本材料均匀物理共混，经纺丝、挤出工艺得到纤维、片材、颗粒集合体，还可以分布于纤维与纤维之间得到烟用丝束滤棒集合体。所述相变胶囊材料通过相变能量转换可以实现对烟气温度的调节，改善烟用基本材料的调温性能，解决纯相变材料在烟用基本材料上应用时出现的相变储热能力降低、溢流安全问题。本发明还公开了所述烟用调温复合材料集合体的制备方法以及应用，将本发明在加热卷烟应用时，能够降低烟气温度，改善烟气感官舒适性，且加工简便、成本低、易于成型，较现有复合滤棒加工工艺具有优势。
以下结合附图和实施例对本发明进一步加以说明。
具体操作及参数：将相变胶囊材料、和/或其他助剂置于基本原料中，经纺丝、或熔融挤出工艺得到调温复合材料丝束、片材、颗粒。
螺杆挤出机：宝品精密仪器有限公司的BP-8177-ZB型号。
在KDF4滤棒成型机上，在烟用丝束一步成型过程中添加相变胶囊材料、或含相变胶囊材料的颗粒或片材，加工具有低温相变潜热的烟用丝束嘴棒。
相变胶囊：白色颗粒，常温可与水任意比例混合，北京宇田相变储能科技有限公司。
二醋酸纤维素、丝束，南通醋酸纤维有限公司提供。
聚乳酸，浙江海正生物材料生产。
其他助剂，由国药试剂公司提供。
测试1：利用DSC8000(PerkinElmer公司)对烟用调温功能丝束进行相变潜热测试，测试条件：温度范围10-200℃，升温/降温速度10℃/min，氮气：20ml/min。
测试2：按照国家标准GB/T19609-2004规定的卷烟抽吸模型进行模拟吸烟，采用加拿大深度抽吸模式(HCI)，其抽吸参数为：抽吸容量55mL，抽吸频率30s，抽吸持续时间2s。使用热电偶温度检测器检测卷烟样品5口烟气温度数值，其中烟嘴棒中心距离嘴端0mm处的温度。
实施例1
采用针式纺丝法制备醋酸纤维素调温复合纤维：先将适量丙酮和相变胶囊水溶液共混形成均相，随后添加醋片或高浓度的醋片/丙酮溶液，达到所需12％醋片含量。
具体的，依次将1.2份固含量40％的相变微胶囊水溶液(相变胶囊粒径3μm，即D90≤3μm)，相变温度峰值Tm＝58℃，相变焓值190J/g)、4份水、80份丙酮和11份醋酸纤维素添加至混合装置中形成固含量12％的混合浆液，利用0.4MPa压缩空气将混合浆液经0.5mm孔径的针式装置挤出得到复合纤维。其中相变胶囊添加量4％。本实施例中采用取代度2.45的常规醋片，粘度1.61。
所得醋酸纤维素纤维经DSC检测在35-65℃区间表现相变吸热，相变峰值58℃，相变潜热约7.2J/g(见图1)，经重复热循环测试，烟用调温醋纤纤维的相变指标基本不变，胶囊颗粒相变性能保持不变。
本发明复合纤维具有低温相变潜热性能，可以在加热卷烟、传统燃烧型卷烟上应用。
实施例2
在实施例1的原料中添加导热材料，将相对醋纤重量4.5％含量的相变胶囊、0.5％(相对醋纤重量0.5％)含量的碳纳米管添加到醋酸纤维素丙酮浆液中，所得复合纤维在30-45℃区间表现吸热相变，相变潜热约9.3J/g，具有散热降温特性。
所述相变胶囊粒径D90≤1.2μm，相变熔点峰值37℃，相变焓值204J/g。
实施例3
采用溶剂法制备醋酸纤维素调温片材，包括步骤如下：将40％的相变胶囊水溶液(水含量60％)与二醋酸纤维素、丙酮溶剂混合，搅拌均匀后得到固含量15wt％的混合浆液物料，相变胶囊添加量为3％，5％和10％；将所述混合物料流延于支撑表面上经干燥形成片材，所得片材厚度为0.3mm，经DSC测试相变焓值分别为4.8J/g，9.0J/g、17.2J/g，所得调温片材分别对应试样4-1、试样4-2、试样4-3。
所述相变胶囊的粒径D90≤3μm，相变温度峰值57℃，热焓值167J/g。
(1)具体而言：试样4-1
40％的相变胶囊水溶液的用量：71份。
二醋酸纤维素的用量：12.9份。
丙酮溶剂的用量：75.6份。
搅拌均匀后得到固含量15wt％的混合浆液物料，相变胶囊添加量为3％。
将所述混合物料流延于支撑表面上经干燥形成片材，所得片材厚度为0.3mm，经DSC测试相变焓值分别为4.8J/g。
(2)试样4-2
40％的相变胶囊水溶液的用量：1.0份。
二醋酸纤维素的用量：7.6份。
丙酮溶剂的用量：45.3份。
搅拌均匀后得到固含量15wt％的混合浆液物料，相变胶囊添加量为5％。
将所述混合物料流延于支撑表面上经干燥形成片材，所得片材厚度为0.3mm，经DSC测试相变焓值分别为9.0J/g。
(3)试样4-3
40％的相变胶囊水溶液的用量：1份。
二醋酸纤维素的用量：3.6份。
丙酮溶剂的用量：22.7份。
搅拌均匀后得到固含量15wt％的混合浆液物料，相变胶囊添加量为10％。
将所述混合物料流延于支撑表面上经干燥形成片材，所得片材厚度为0.3mm，经DSC测试相变焓值分别为17.2J/g。
实施例4
与实施例3制备工艺基本一致，将相变胶囊添加量增加至30份，所得片材经DSC测试相变焓值39.6J/g。
所述相变胶囊的粒径D90≤3μm，Tm＝28℃，相变焓值150J/g。
实施例5、
采用丝束成型一步添加工艺相变胶囊制备调温滤棒，利用KDF4成型机通过在单旦20den，总旦27000den醋酸纤维素丝束成型过程中添加相变胶囊(20μm≤D90≤25μm，相变温度54℃，相变焓170J/g)的方式制备调温滤棒，三醋酸甘油酯作为增塑剂，所得丝束滤棒圆周23.8mm，压降10Pa/mm，相变胶囊添加量为1mg/mm。
烟气测试
测试1
调温复合材料在加热卷烟上应用，可以降低主流烟气最高温度。
卷烟嘴棒结构示意图2，将实施例4的样品4-1，样品4-2，样品4-3分别经剪切为宽度/长度/厚度为4/18/0.3mm的片材10，添加150mg片材到加热卷烟的嘴棒中作为降温段12使用，片材两端分别为醋酸纤维素丝束实心滤棒11和空心滤棒14，三段结构外部由成形纸13包裹，发烟段材料与空心滤棒14相接，烟支直径7.5mm。实心滤棒、降温段、中空滤棒和发烟段长度分别为7mm、18mm、8mm、12mm。卷烟试样对应测试样4-1，测试样4-2，测试样4-3。
对照例1
对照卷烟，嘴棒降温段为未添加相变胶囊的醋酸纤维素片材，片材加工制备方法同实施例5，其他嘴棒结构相同。
实施例4-1,4-2,4-3和对照例1卷烟主流烟气温度数据见表1。分析可知添加了相变胶囊/醋酸纤维素调温片材的4-1,4-2,4-3烟气最高温度较对照例1有所降低，降幅2-4℃，且随相变胶囊添加量增加(从3％到10％)降温幅度增加。
表1实施例与对照例卷烟主流烟气温度(℃)。
测试2
截取8mm实施例6中添加了相变胶囊的醋酸纤维素丝束滤棒作为降温段，两端分别与17mm未添加相变胶囊的醋酸纤维素丝束滤棒、8mm的醋酸纤维素空心滤棒组合，发烟段材料与空心滤棒相接。所得卷烟试样对应测试样6。
对照例2
对照卷烟，嘴棒为二元复合滤棒：降温段和衔嘴段皆为醋酸纤维素实心滤棒，滤棒长度25mm。
测试样6和对照例2卷烟主流烟气温度数据见表2。分析可知丝束滤棒中添加相变胶囊，卷烟烟气最高温度由59.9℃降低至56.8℃，主流烟气温度有所降低，可以改善加热卷烟的抽吸舒适感。
表2实施例与对照例卷烟主流烟气温度(℃)。
上述相关说明以及对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些内容做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述相关说明以及对实施例的描述，本领域的技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
