可用于卷烟滤嘴的复合纤维非织造材料、制备方法及应用
技术领域
本发明属于卷烟技术领域，涉及卷烟滤嘴棒中材料及其制备方法，尤其是对不燃烧卷烟主流烟气兼具降温和过滤作用的材料及其制备方法。
背景技术
随着全球控烟环境的日趋严峻及消费者对健康的日益关注，研发一种全面、大幅地降低烟草有害成分释放量的新型烟草制品逐渐成为世界各国烟草行业的发展重点。加热不燃烧卷烟是利用特殊热源对烟丝进行加热(500℃以下甚至更低)、烟丝只加热而不燃烧的新型烟草制品。研究表明，烟草烟气有害成分释放量与加热、燃烧温度密切相关，降低加热或燃烧温度可显著降低烟气有害成分释放量。加热非燃烧型烟草制品由菲利普莫里斯生产公司(简称菲莫)、R.J.雷诺兹烟草公司(简称雷诺)等大型国际烟草公司最早开发研制，尤其是针对加热不燃烧型卷烟烟支进行了专利申请。菲莫烟草公司申请的中国专利包括CN96194107.3、CN201190000997.0、CN201280018570.2、CN201280026033.2、CN201280054623.6、CN201280048973.1、CN201280054563.8、CN201180016009.6、CN101778578A、CN103889254A等；雷诺烟草公司申请的中国专利CN201180031721.3、CN200780045783.3等都公开了加热不燃烧型卷烟的烟支技术。在国内，云南中烟、浙江中烟等烟草公司也针对加热不燃烧型卷烟进行了相关的专利申请，例如CN201710643438.5、CN201520442651.6、CN201710393624.8、CN201710391934.6。然而，迄今为止，菲莫烟草公司推出的前两款商品化电加热型不燃烧卷烟产品(Accord、HeatBar)的市场测试均未取得成功，这进一步说明电加热型不燃烧卷烟产品目前还处于成长初期，依然存在很多问题，其中尤其核心的问题在于电加热型不燃烧卷烟的抽吸感受较差，具体体现为烟气温度高、烟气抽吸均一性差等问题，这在一定程度上限制了其市场推广。目前国内外关于加热不燃烧型卷烟的研究主要集中于卷烟装置、烟支设计、烟纸、加热方式和加热器类型等，而对于烟支中降温段材料还未见相关文献和专利报道。因此迫切需要开发一种可用于复合嘴棒中的、能够有效降低烟气温度的材料。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可用于卷烟滤嘴的复合纤维非织造材料、制备方法及应用。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种复合纤维非织造材料，为具有面密度和厚度的三维均匀排列的纤网结构，包含铺叠在一起的若干层薄纤维网；每一层薄纤维网由混合纤维梳理成单纤维状态而成；为单一纤维或多组分纤维混合而成，其中至少一种是具有相变功能的纤维；例如，可以是包含普通纤维和调温纤维的均匀混合体。
为获得所述复合醋酸纤维非织造材料，本发明进行了普通纤维与具有相变功能的纤维的物理性能设计、复合成网组分设计以及二元三维复合成网工艺的设计。结构即是通过梳理前的开松和混合，将具有相变功能的纤维与普通纤维进行均匀的混合。然后将混合纤维梳理成单纤维状态，使纤维呈薄纤维网状态，再通过铺网工艺将一层层薄纤维网进行铺叠以增加其面密度和厚度，形成三维均匀排列的纤网。
制备工艺方面，包括：复合纤维非织造材料抽提，复合纤维非织造材料气流平整，复合纤维非织造材料对辊夹持输送，复合纤维非织造材料螺纹对辊牵伸，增塑剂、降温剂施加，复合纤维非织造材料回缩整理，复合纤维非织造材料高压喷嘴输送，成型纸包裹复合纤维非织造材料，刀具分切复合纤维非织造材料滤棒至定长。
进一步，一种可用于卷烟滤嘴的复合纤维非织造材料，所述非织造材料为单一纤维或多组分纤维混合而成；其中至少一种是具有相变功能的纤维。
可选地，所述的可用于卷烟滤嘴的复合纤维非织造材料，为具有面密度和厚度的三维均匀排列的纤网结构，包含铺叠在一起的若干层薄纤维网；每一层薄纤维网由混合纤维梳理成单纤维状态而成。
可选地，所述具有相变功能的纤维质量配比为1％～100％。
可选地，所述的纤维包括二醋酸纤维素纤维、PLA纤维、PE纤维、聚酯纤维、聚酰胺纤维和含有相变材料的基础纤维等。其中PLA纤维、PE纤维、聚酯纤维、聚酰胺纤维在一定的温度区间内均具有相变功能。
可选地，所述的含有相变材料的基础纤维具有以潜热的形式吸收储存和释放热量的功能，其在温度变化中，可以固态、液态互相转化，从而达到吸热、放热的效果。相变即表现为气、固、液三态的变化以及结晶、晶型转烃、晶体熔融等物理过程，伴随着分子聚集态结构的变化，在此过程中温度不发生变化但伴随热量的释放或吸收，因而具有调解温度的作用。“含有相变材料的基础”属于“具有相变功能的纤维”之中的一部分，具有相变功能的纤维还包括可以利用熔融纺丝法制备的PLA纤维、PE纤维、聚酯纤维、聚酰胺纤维等。
可选地，所述的含有相变材料的基础纤维是通过复合纺丝法、中空纤维填充法、微胶囊涂层法等将相变材料与普通纤维有机结合制得的纤维。具体的制备方法与以下文献所记载的内容相同：马君志，李昌垒.“黏胶基储能调温纤维的开发及应用”[J],针织原料，2012(12)：22-23。
“具有相变功能的纤维”包括含有相变材料的基础纤维及利用熔融纺丝法制备的相应纤维。
可选地，所述相变材料的质量为所述含有相变材料的基础纤维的15％～70％。
可选地，所述的相变材料是指温度不变的情况下而改变物质状态并能提供潜热的物质，包括无机相变材料和有机相变材料。
可选地，所述的无机相变材料包括MgCl2·6H2O、CaCl2·6H2O、Na2SO4·10H2O、Na2HPO4·12H2O等。
可选地，所述的有机相变材料包括有机酸酯类、多元醇类、高级烷烃类和有机酯类等。
可选地，所述的有机相变材料包括石蜡烃、聚乙二醇、硬脂酸-硬脂醇酯、三羟甲基乙烷和新戊二醇等。
可选地，所述普通纤维包括棉、涤棉、羊毛、丙纶、晴纶、纤维素纤维、聚酯纤维、聚胺酯纤维和聚乳酸纤维等。
可选地，所述的纤维的横截面为圆形、X型或Y型。
可选地，所述的纤维具有1旦～40旦的线密度。所述普通纤维细度为1.5旦～25旦，调温纤维细度为2旦～20旦。
可选地，所述的纤维具有15mm～80mm的长度。
上述的可用于卷烟滤嘴的复合纤维非织造材料的加工方法，通过梳理前的开松和混合，将具有相变功能的纤维与普通纤维进行均匀的混合；然后将混合纤维梳理成单纤维状态，使纤维呈薄纤维网状态，再通过铺网工艺将一层层薄纤维网进行铺叠以增加其面密度和厚度，形成三维均匀排列的纤网。
进一步，包括以下步骤：
A、梳理：在梳理阶段采用两道梳理工艺，第一道梳理将要梳理的纤维形成纤维网，然后将两个梳理好的纤维网重叠喂入第二道梳理机；
B、铺网：在铺网阶段采用交叉铺网的方式；
C、预刺：预刺阶段采用一道针刺，以减少水刺时由于牵伸造成的纤维网不均；
D、固网：固网阶段采用两道正反面水刺，喂入速度采用慢速喂入，第二道水刺的压力高于第一道水刺；
E、热轧整理：热轧整理阶段采用正反面两道热轧。
本发明的进一步改进在于：所述水刺时的喂入速度为8m/min～12m/min。
本发明的进一步改进在于：水刺时水压为2MPa～5MPa，进行两道正反面水刺，第二道水刺的压力高于第一道水刺20％～25％。
本发明的进一步改进在于：所述热轧整理阶段采用正反面两道热轧，温度设定在120℃～200℃。
纤维的梳理和铺网过程中，由于纤维较轻，同时静电效应比较大，容易吸附在铺网机等部件上，影响生产的进行，因此为保证生产的顺利进行，需要车间有相当大的湿度(一般而言，相对湿度至少75％)，同时辅以抗静电剂喷洒在纤维原料上。
可以根据具体情况，增加如下一些工艺条件：
1、非织造材料制备时车间湿度为60％～85％；
2、普通纤维与具有相变功能的纤维梳理时加抗静电剂，添加量为2％～6％；
抗静电剂配方为：Ca(NO3)2·4H2O添加量为1.5％～2.5％；三乙醇胺甲酸盐添加量为0.3％～1.3％；水添加量为9.22％～9.9％。
上述可用于卷烟滤嘴的复合纤维非织造材料在卷烟及不燃烧卷烟滤嘴中的应用。
本发明的工作原理：过滤烟气的机理主要包括对烟气粒子的直接拦截、惯性碰撞和扩散沉积的物理过滤，其中直接拦截机理最普遍，醋酸纤维非织造布卷成的烟用滤嘴，纤维之间杂乱排列，形成立体的三维空间，滤嘴中的纤维具有一定的比表面积，与烟气接触的几率大，同时混合的纤维具有较好的吸热性，从而既具有一定的过滤效率，又具有相应的烟气降温功能。
可见，本发明获得一种能够有效降低烟气温度的材料，该材料用于复合嘴棒中可以有效降低不燃烧卷烟的烟气温度。同时该材料还具有一定地选择性吸附、生物可降解和环境友好的优点。本发明复合纤维非织造材料可用于生产不燃烧卷烟滤嘴。
由于采用了上述技术方案，本发明获得的有益效果包括：醋酸纤维和聚乳酸纤维为绿色环保纤维，可生物降解，且采用的梳理、针刺、水刺和热轧加工方法制成的非织造材料具有三维立体的过滤空间，对烟气具有一定的过滤效率；另一方面由于醋酸纤维本身的强力较低，做成的非织造布的强力很难满足后续卷制烟嘴的强力要求，而PE纤维、聚酯纤维、聚酰胺纤维和含有相变材料的基础纤维本身的强力远远大于醋酸纤维，与醋酸纤维的混合，能够使非织造材料的抗拉强度增加，同时材料内部的三维立体结构影响不大，满足了后续加工成滤棒的强力要求。同时，含有相变材料的基础纤维在不燃烧卷烟的烟气温度区间内具有一定的相变，在醋酸纤维中加入这种纤维，对不燃烧卷烟的烟气传递具有一定的降温效果。
附图说明
图1为传统醋酸纤维过滤烟嘴的整体结构示意图。
图2为本发明可用于卷烟滤嘴的复合纤维非织造材料结构示意图。
图3为本发明可用于卷烟滤嘴的复合纤维非织造材料制造工艺过程示意图。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明作进一步的说明。
图2和图3分别示出了本发明一种可用于卷烟滤嘴的复合纤维非织造材料及其加工方法。
实施例1
本实施例复合醋酸纤维非织造材料中醋酸纤维细度为8旦，粘胶纤维细度为6旦。
所述含降温剂的粘胶纤维(由30％重量的石蜡相变胶囊和粘胶基础纤维组成，购自上海里奥纤维企业发展有限公司)的质量配比15％，所述醋酸纤维的质量配比为85％
所述醋酸纤维的横截面为Y型，平均长度为38mm；所述粘胶纤维横截面为圆形，平均长度为38mm。
所述复合醋酸纤维非织造材料的制备方法如下：
将醋酸纤维和粘胶纤维按设定的上述配比进行开松混合，然后在棉型梳理机上进行预梳理，梳理的基本参数设置：给棉罗拉的速度为0.43r/min；刺辊的速度为578.13r/min；锡林的速度为555.00r/min；道夫的速度为7.71r/min；出网速度为4.07r/min；然后将纤维网在经过GSA-500梳理机进行固网前的再一次梳理，基本参数设置：喂入2.06HZ,道夫13.10HZ,锡林20.14HZ.采用交叉铺网的方式，进入针刺机进行预针刺，然后经过水刺系统，水刺时第一道水压控制在5MPa，第二道水刺水压为6.5MPa，生产速度为8m/min；将经过水刺的混合非织造材料进行烘燥，然后进行热轧整理，热轧的温度在165℃，即得本发明所述的不燃烧卷烟用复合醋酸纤维非织造材料。
所得复合醋酸纤维非织造材料的外观均匀度好，厚度一致，对其进行拉伸性能、透气性能、过滤效率、过滤阻力、烟气降温效果的一系列测试，测试结果良好，满足不燃烧卷烟用过滤材料的预期效果。测试结果如下：
使用上述复合醋酸纤维非织造材料制备长度为80-120毫米、圆周为22.00-24.00毫米、吸阻为100-360mm水柱的不燃烧卷烟的滤嘴。对所述滤嘴进行不燃烧卷烟烟气降温效果的检测(滤嘴长度为25mm，圆周为22mm)，获得的结果如下：
不燃烧卷烟烟气降温效果
由以上数据可以看出，本发明复合醋酸纤维非织造材料透气性很好，拉伸强力也能满足后续加工的拉伸要求，同时将其作为不燃烧卷烟滤嘴材料的使用对不燃烧卷烟具有很好的降温效果，满足卷烟用材料的要求。
实施例2
本实施例复合醋酸纤维非织造材料中醋酸纤维细度为8旦，粘胶纤维细度为6旦。
所述含降温剂的粘胶纤维(由30％重量的石蜡相变胶囊和粘胶基础纤维组成，购自上海里奥纤维企业发展有限公司)的质量配比35％，所述醋酸纤维的质量配比为65％
所述醋酸纤维的横截面为Y型，平均长度为38mm；所述粘胶纤维横截面为圆形，平均长度为38mm。
所述复合醋酸纤维非织造材料的制备方法如下：
将醋酸纤维和粘胶纤维按设定的上述配比进行开松混合，然后在棉型梳理机上进行预梳理，梳理的基本参数设置：给棉罗拉的速度为0.42r/min；刺辊的速度为575.2r/min；锡林的速度为557.00r/min；道夫的速度为7.61r/min；出网速度为4.12r/min；然后将纤维网在经过GSA-500梳理机进行固网前的再一次梳理，基本参数设置：喂入2.05HZ,道夫13.10HZ,锡林20.22HZ.采用交叉铺网的方式，进入针刺机进行预针刺，然后经过水刺系统，水刺时第一道水压控制在5MPa，第二道水刺水压为6.5MPa，生产速度为8m/min；将经过水刺的混合非织造材料进行烘燥，然后进行热轧整理，热轧的温度在160℃，即得本发明所述的不燃烧卷烟用复合醋酸纤维非织造材料。
所得复合醋酸纤维非织造材料的外观均匀度好，厚度一致，对其进行拉伸性能、透气性能、过滤效率、过滤阻力、烟气降温效果的一系列测试，测试结果良好，满足不燃烧卷烟用过滤材料的预期效果。测试结果如下：
使用上述复合醋酸纤维非织造材料制备长度为80-120毫米、圆周为22.00-24.00毫米、吸阻为100-360mm水柱的不燃烧卷烟的滤嘴。对所述滤嘴进行不燃烧卷烟烟气降温效果的检测(滤嘴长度为25mm，圆周为22mm)，获得的结果如下：
不燃烧卷烟烟气降温效果
实施例3
本实施例复合醋酸纤维非织造材料中醋酸纤维细度为8旦，粘胶纤维细度为6旦。
所述含降温剂的粘胶纤维(由30％重量的石蜡相变胶囊和粘胶基础纤维组成，购自上海里奥纤维企业发展有限公司)的质量配比100％，所述醋酸纤维的质量配比为0，即不含醋酸纤维。
所述醋酸纤维的横截面为Y型，平均长度为38mm；所述粘胶纤维横截面为圆形，平均长度为38mm。
所述复合醋酸纤维非织造材料的制备方法如下：
将粘胶纤维按设定的上述配比进行开松，然后在棉型梳理机上进行预梳理，梳理的基本参数设置：给棉罗拉的速度为0.4r/min；刺辊的速度为573.1r/min；锡林的速度为558.00r/min；道夫的速度为7.6r/min；出网速度为4.02r/min；然后将纤维网在经过GSA-500梳理机进行固网前的再一次梳理，基本参数设置：喂入2.05HZ,道夫13.08HZ,锡林20.11HZ.采用交叉铺网的方式，进入针刺机进行预针刺，然后经过水刺系统，水刺时第一道水压控制在5MPa，第二道水刺水压为6.5MPa，生产速度为8m/min；将经过水刺的混合非织造材料进行烘燥，然后进行热轧整理，热轧的温度在160℃，即得本发明所述的不燃烧卷烟用复合醋酸纤维非织造材料。
所得复合醋酸纤维非织造材料的外观均匀度好，厚度一致，对其进行拉伸性能、透气性能、过滤效率、过滤阻力、烟气降温效果的一系列测试，测试结果良好，满足不燃烧卷烟用过滤材料的预期效果。测试结果如下：
使用上述复合醋酸纤维非织造材料制备长度为80-120毫米、圆周为22.00-24.00毫米、吸阻为100-360mm水柱的不燃烧卷烟的滤嘴。对所述滤嘴进行不燃烧卷烟烟气降温效果的检测(滤嘴长度为25mm，圆周为22mm)，获得的结果如下：
不燃烧卷烟烟气降温效果
由以上数据可以看出，本发明复合醋酸纤维非织造材料透气性很好，拉伸强力也能满足后续加工的拉伸要求，同时将其作为不燃烧卷烟滤嘴材料的使用对不燃烧卷烟具有很好的降温效果，满足卷烟用材料的要求。
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。
