加熱不燃燒型電子煙煙氣成分分析用過(guò)濾材料的研制

玻璃纖維A，直徑10~20 μm，長(zhǎng)度3~6 mm，泰山玻璃纖維有限公司；玻璃纖維B，直徑0.5~1.0 μm，長(zhǎng)度5~10 mm，榆林天盛緣玻璃纖維有限公司；棉漿，山東銀鷹股份有限公司；維尼綸，長(zhǎng)度5 mm，中國(guó)石化集團(tuán)四川維尼綸廠；絲光漿，自制；改性熱熔滌綸纖維，2.0 dtex，長(zhǎng)度3 mm，帝人株式會(huì)社；雙組份纖維，2.0 dtex，長(zhǎng)度3 mm，帝人株式會(huì)社；漂白硫酸鹽針葉木漿，北京中基明星貿(mào)易有限公司。

濕強(qiáng)劑PAE，固含量10.4%，石家莊冀亨助劑有限公司；丙烯酸乳液，自制。

紙漿標(biāo)準(zhǔn)解離器（03，L&W公司）；PALAS濾料測(cè)試系統(tǒng)（MFP3000，德國(guó)PALAS公司）；鼓式干燥器（E-100，美國(guó)AMC公司）；臥式拉力機(jī)（ZB-WL30，杭州紙邦自動(dòng)化技術(shù)有限公司）；紙頁(yè)成型器（中國(guó)制漿造紙研究院有限公司）。

本研究首先探討了針葉木化學(xué)漿（以下簡(jiǎn)稱(chēng)木漿）、絲光漿、棉漿和維尼綸4種纖維對(duì)濾材吸水性的影響。由于使用玻璃纖維和其他纖維進(jìn)行混抄，難以達(dá)到濾材要求的過(guò)濾性能，因此設(shè)計(jì)了雙層復(fù)合的結(jié)構(gòu)，使用玻璃纖維抄造過(guò)濾層，其他纖維抄造吸水層。過(guò)濾層定量120 g/m²，采用玻璃纖維A和玻璃纖維B混抄，添加增強(qiáng)助劑PAE和丙烯酸乳液來(lái)提高過(guò)濾層的強(qiáng)度。吸水層定量設(shè)計(jì)為100 g/m²，PAE添加量為1%。

2.1.1　纖維原料對(duì)濾材過(guò)濾效率和過(guò)濾阻力的影響

圖2和圖3分別為纖維原料對(duì)濾材過(guò)濾效率和過(guò)濾阻力的影響。從圖2和圖3中可以看出，采用木漿、絲光漿、棉漿和維尼綸分別作為吸水層復(fù)合玻璃纖維過(guò)濾層后，所制濾材均能達(dá)到過(guò)濾效率（≥99.9%）的要求。使用木漿和棉漿作為吸水層大幅提高了濾材的過(guò)濾阻力，遠(yuǎn)超過(guò)過(guò)濾阻力≤360 Pa的要求；而使用絲光漿和維尼綸作為吸水層，濾材過(guò)濾阻力≤360 Pa，可以滿(mǎn)足要求。

圖2  纖維原料對(duì)過(guò)濾效率的影響

Fig. 2  Effect of fiber types on filtration efficiency

注   空白為市售煙氣過(guò)濾用過(guò)濾材料（以下同）。

圖3  纖維原料對(duì)過(guò)濾阻力的影響

Fig. 3  Effect of fiber types on filtration resistance

2.1.2　纖維原料對(duì)吸水量的影響

圖4為纖維原料對(duì)濾材吸水量的影響。從圖4可以看出，與市售煙氣過(guò)濾用過(guò)濾材料相比，使用木漿作為吸水層復(fù)合過(guò)濾層，反而降低了濾材的吸水量，而使用絲光漿、棉漿和維尼綸作為吸水層復(fù)合過(guò)濾層雖有一定的改善作用，但吸水量仍然很小。

圖4  纖維原料對(duì)吸水量的影響

Fig. 4  Effect of fiber types on water absorption

由以上分析可知，使用棉漿和木漿作為吸水層會(huì)大幅提高濾材的過(guò)濾阻力，因此選擇絲光漿和維尼綸作為濾材吸水層進(jìn)一步研究。

2.1中使用絲光漿作為吸水層時(shí)存在強(qiáng)度較差、濾材掉毛的問(wèn)題，為提高絲光漿吸水層的強(qiáng)度，進(jìn)行如表1所示的工藝改進(jìn)。過(guò)濾層工藝同2.1，吸水層定量為100 g/m²。

圖5為絲光漿吸水層工藝對(duì)濾材抗張強(qiáng)度性能的影響。從圖5可以看出，絲光漿中添加增強(qiáng)助劑丙烯酸乳液對(duì)濾材抗張強(qiáng)度有一定的改善作用，但濾材表面仍有明顯的掉毛現(xiàn)象；絲光漿中混抄棉漿可以大幅提高濾材抗張強(qiáng)度，濾材表面沒(méi)有掉毛現(xiàn)象。

圖5  絲光漿吸水層工藝對(duì)抗張強(qiáng)度的影響

Fig. 5  Effect of water adsorption layer technology on tensile strength

圖6~圖8分別為絲光漿吸水層工藝對(duì)濾材過(guò)濾效率、過(guò)濾阻力和吸水量的影響。從圖6~圖8可以看出，吸水層工藝2、3、4增強(qiáng)方案對(duì)過(guò)濾效率的影響均不大，且過(guò)濾效率均超過(guò)了99.9%；然而，使用棉漿配抄會(huì)增加濾材的過(guò)濾阻力，當(dāng)配抄比例為20%時(shí)，過(guò)濾阻力為357 Pa，接近過(guò)濾阻力的上限值。從吸水量來(lái)看，吸水層工藝2、3、4對(duì)吸水量的影響均較小。

圖6  絲光漿吸水層工藝對(duì)過(guò)濾效率的影響

Fig. 6  Effect of water adsorption layer technology on filtration efficiency

圖7  絲光漿吸水層工藝對(duì)過(guò)濾阻力的影響

Fig. 7  Effect of water adsorption layer technology on filtration resistance

圖8  絲光漿吸水層工藝對(duì)吸水量的影響

Fig. 8  Effect of water adsorption layer technology on water absorption

維尼綸抄造時(shí)與絲光漿存在同樣的問(wèn)題，所制濾材強(qiáng)度較差、有掉毛現(xiàn)象，因此也需進(jìn)一步對(duì)維尼綸吸水層的工藝進(jìn)行優(yōu)化。過(guò)濾層制備工藝同2.1，維尼綸吸水層定量為100 g/m²，抄造工藝如表2所示。

圖9為維尼綸吸水層工藝對(duì)濾材抗張強(qiáng)度的影響。與絲光漿類(lèi)似，維尼綸中添加增強(qiáng)助劑丙烯酸乳液對(duì)于改善濾材抗張強(qiáng)度的作用也較小，濾材仍存在掉毛現(xiàn)象，而添加棉漿纖維不僅可以有效提高濾材抗張強(qiáng)度，也可消除濾材的掉毛現(xiàn)象。

圖9  維尼綸吸水層工藝對(duì)濾材抗張強(qiáng)度的影響

Fig. 9  Effect of water adsorption layer technology on tensile strength

圖10~圖11為維尼綸吸水層工藝對(duì)濾材過(guò)濾性能的影響。從圖10可以看出，吸水層工藝6、7、8都可以保證濾材的過(guò)濾效率達(dá)到99.9%以上。從圖11可以看出，雖然與絲光漿類(lèi)似，配抄棉漿會(huì)提高濾材的過(guò)濾阻力，但當(dāng)棉漿的配抄比例同為20%時(shí)，絲光漿制備濾材過(guò)濾阻力為357 Pa，而維尼綸制備濾材過(guò)濾阻力僅為335 Pa。從吸水量來(lái)看，維尼綸作為吸水層使用工藝6、7、8方案增強(qiáng)差異也較小，吸水量一直維持在1 g左右。

圖10  維尼綸吸水層工藝對(duì)過(guò)濾效率的影響

Fig. 10  Effect of water adsorption layer technology on filtration efficiency

圖11  維尼綸吸水層工藝對(duì)過(guò)濾阻力的影響

Fig. 11  Effect of water adsorption layer technology on filtration resistance

圖12  維尼綸吸水層工藝對(duì)吸水量的影響

Fig. 12  Effect of water adsorption layer technology on water absorption

從2.1~2.3的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可看出，不論使用哪種纖維作為吸水層，濾材的吸水量均相差不多，這可能是因?yàn)樵摓V材本身是比較蓬松的孔隙結(jié)構(gòu)，其吸水性能主要取決于濾材的孔隙結(jié)構(gòu)而非濾材本身，而當(dāng)定量和松厚度相差不多時(shí)，其內(nèi)部的孔隙也相差不多，吸水量也處于同一個(gè)水平。因此要提高濾材的吸水能力，就要盡可能地提高濾材的孔隙，如提高定量或松厚度。但是由于濾材本身松厚度就已經(jīng)很高，因此擬采用進(jìn)一步提高濾材定量來(lái)增加濾材中的孔隙。

然而，提高濾材的定量必然會(huì)提高濾材的過(guò)濾阻力，因此要設(shè)計(jì)一種中和的方案，能夠平衡過(guò)濾效率、過(guò)濾阻力和吸水量。從上述研究可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)使用維尼綸作為吸水層時(shí)，在滿(mǎn)足過(guò)濾效率的前提下，過(guò)濾阻力最小。因此選用維尼綸纖維作為吸水層對(duì)濾材的吸水量進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化，即吸水層為85%維尼綸配抄15%的棉漿，具體定量方案如表3所示。

圖13~圖15分別為不同吸水層定量對(duì)濾材吸水量、過(guò)濾效率和過(guò)濾阻力的影響。從圖13可以看出，隨著濾材吸水層定量的增長(zhǎng)，吸水量明顯增加。當(dāng)單獨(dú)過(guò)濾層定量為320 g/m²時(shí)，與吸水層和過(guò)濾層復(fù)合濾材9定量為320 g/m²時(shí)的吸水量幾乎相同，由此可佐證，材料的吸水量與材料的定量密切相關(guān)。

圖13  不同吸水層定量對(duì)濾材吸水量的影響

Fig. 13  Effect of basic weight of the water adsorption layer on water absorption

圖14  不同吸水層定量對(duì)過(guò)濾效率的影響

Fig. 14  Effect of basic weight of the water adsorption layer on filtration efficiency

圖15  不同吸水層定量對(duì)過(guò)濾阻力的影響

Fig. 15  Effect of basic weight of the water adsorption layer on filtration resistance

然而，單獨(dú)提高過(guò)濾層的定量時(shí)，過(guò)濾阻力會(huì)大幅上漲，當(dāng)過(guò)濾層定量為320 g/m²，過(guò)濾阻力超過(guò)600 Pa；而采用雙層復(fù)合工藝，吸水層定量的增長(zhǎng)對(duì)過(guò)濾阻力影響較小，當(dāng)復(fù)合濾材11的定量為520 g/m²時(shí)，過(guò)濾阻力僅為342 Pa，此時(shí)的過(guò)濾效率為99.992%，吸水量為2.70 g。不僅過(guò)濾效率和過(guò)濾阻力能滿(mǎn)足使用要求，而且吸水量是目前市售煙氣過(guò)濾材料的近3倍。

將本研究試制的樣品（2.4中的方案10）進(jìn)行加熱不燃燒型電子煙主流煙氣的測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明，吸水量指標(biāo)為市售煙氣過(guò)濾材料的2倍左右，但煙堿指標(biāo)為市售煙氣過(guò)濾材料的60%左右，試制的樣品中可能存在某些成分影響煙堿的測(cè)試結(jié)果。

經(jīng)分析，可能是因?yàn)槲畬又械拿逎{不像其他化學(xué)纖維一樣具有光滑的表面，會(huì)有部分煙堿被棉漿吸附，由此導(dǎo)致煙堿的測(cè)試結(jié)果偏低。因此本研究擬對(duì)其他可作為吸水層的增強(qiáng)材料進(jìn)行進(jìn)一步研究。方案設(shè)計(jì)如表4所示，其中過(guò)濾層定量均為120 g/m²，工藝同2.1，吸水層定量均為300 g/m²。

由于滌綸纖維和雙組分纖維都具有熱熔性，能在濾材干燥過(guò)程中對(duì)維尼綸纖維產(chǎn)生黏接作用，因此使用滌綸纖維或者雙組分纖維混抄維尼綸都起到了很好的增強(qiáng)作用，材料表面沒(méi)有掉毛現(xiàn)象。圖16和圖17分別為吸水層不同增強(qiáng)材料對(duì)濾材過(guò)濾效率和過(guò)濾阻力的影響。從過(guò)濾效率來(lái)看，這幾種方案均能滿(mǎn)足過(guò)濾效率（≥99.9%）的要求。從過(guò)濾阻力來(lái)看，添加玻璃纖維制備的濾材12，過(guò)濾阻力達(dá)到657 Pa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于對(duì)濾材過(guò)濾阻力（≤360 Pa）的要求；添加雙組分纖維雖然對(duì)濾材過(guò)濾阻力影響較玻璃纖維小，但過(guò)濾阻力也超過(guò)了要求；添加滌綸纖維對(duì)過(guò)濾阻力影響最小，當(dāng)添加量為15%和40%時(shí)，濾材過(guò)濾阻力均能滿(mǎn)足要求。但當(dāng)滌綸的添加量為40%時(shí)，濾材收縮特別嚴(yán)重，因此滌綸的添加量15%較合適。

圖16  不同增強(qiáng)材料對(duì)濾材過(guò)濾效率的影響

Fig. 16  Effect of different reinforced fibers on filtration efficiency

圖17  不同增強(qiáng)材料對(duì)濾材過(guò)濾阻力的影響

Fig. 17  Effect of different reinforced fibers on filtration resistance

由2.4的分析可知，濾材的吸水量主要由濾材的定量決定，更換增強(qiáng)纖維滌綸后濾材的吸水量依然保持在1.94 g左右。使用2.5中的方案13制備的濾材進(jìn)行加熱不燃燒型電子煙煙氣檢測(cè)時(shí)，過(guò)濾效率和過(guò)濾阻力均能滿(mǎn)足測(cè)試要求，吸水量明顯提高，且不影響煙堿含量的測(cè)定。