CN103300477B - 一种新型滤嘴材料及其制备方法与应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型滤嘴材料及其制备方法与应用，属于卷烟辅料技术领域。所述的新型滤嘴材料为巯基功能化的多孔壳聚糖微球，包含一种以巯基化试剂与交联壳聚糖反应得到的巯基功能化吸附剂。制备方法是用醋酸溶液溶解1g~5g的脱乙酰化程度为80%~95%的壳聚糖粉末，采用氢氧化钠凝胶化制备湿润微球后，依次发生交联反应和巯基化反应，最终通过洗涤、过滤、干燥、造粒得到16~70目粒径范围的巯基功能化多孔壳聚糖微球；所述新型滤嘴材料的应用是在滤嘴中的应用。本发明提供的滤嘴材料能够满足现有滤棒成型工艺的要求，有效降低卷烟主流烟气中重金属镉、汞、铅的释放量。具有安全稳定、制备方法简单、便于工业化应用、基本不影响卷烟吸味等特点。

Description

一种新型滤嘴材料及其制备方法与应用

技术领域

本发明属于卷烟辅料技术领域，具体涉及一种能够有效降低卷烟主流烟气中重金属镉、汞、铅的的释放量的新型滤嘴材料及其制备方法与应用。

背景技术

世界卫生组织（WHO）制定、各成员国政府签署的《烟草控制框架公约》对烟草制品做出了严格的控制。随着生活水平的提高，消费者对自身健康保护意识和环保意识逐渐增强，对卷烟安全性的要求越来越高。因此，开发低危害卷烟产品备受关注。

卷烟主流烟气中已鉴定出砷（As）、铅（Pb）、镉（Cd）、铬（Cr）、汞（Hg）、镍（Ni）、铍（Be）等有毒重金属。2001年，Hoffmann名单将As、Pb、Cd、Cr、Be、Ni等重金属元素列入69种烟气有害成分中；2002年，Rodgman等列出了149种烟气有害成分，其中包括As、Pb、Cd、Cr、Be、Ni、Hg、Se等重金属元素。卷烟烟气中的这些重金属元素主要来源于烟草本身，而烟草中的重金属元素主要来源于烟草种植环境中的土壤、大气和水。在抽吸卷烟的过程中，烟草中的重金属能通过气溶胶和金属氧化物的形式进入人体，通过在体内各器官中的分布和累积，会对人体健康造成潜在的危害。因此，为减少吸烟对人体健康的危害，降低卷烟燃吸过程中的重金属释放量具有重要的科学意义和应用价值。

壳聚糖为天然氨基葡萄糖聚合物，具有生物相容性、生物可降解性、低毒等特点。由于壳聚糖链上具有作为络合位点的氨基和羟基，使之对重金属离子有极高的亲和力，是重金属极佳的吸附剂。但壳聚糖本身是非孔物质，由于比表面积较小，限制了其对重金属离子的吸附容量。另外，壳聚糖在酸性条件（如烤烟型卷烟主流烟气）下会部分溶解，利用交联改性可使聚合物不溶于酸性介质。制备交联壳聚糖多孔微球不仅因为其多孔结构改善了对金属离子的吸附容量，而且增加了交联壳聚糖的耐酸性，维持了其在酸性介质中的机械强度。尽管交联壳聚糖的多孔性和溶解性较壳聚糖本身有所改善，但仍然对某些剧毒重金属（如Hg和Cd）缺少吸附特征性，限制了其吸附效率。巯基（-SH）能与许多重金属特别是Hg、Cd、Zn等形成稳定络合物，可以通过巯基功能化改性来增加交联壳聚糖多孔微球对重金属离子的吸附容量和选择性。尽管壳聚糖已广泛应用于卷烟滤棒中除去各种主流烟气有害成分（专利CN102793271A、CN1759774A、CN1836599A、CN101947435A），并且在卷烟滤棒中也采用了能降低主流烟气重金属含量的壳聚糖（专利CN102440436A、CN102499480A）、交联壳聚糖（专利CN101043826A）及壳聚糖衍生物（专利CN102090716A），但专门用于除去卷烟主流烟气中剧毒重金属（特别是Hg和Cd）的巯基功能化改性壳聚糖还未用于滤棒及卷烟减害技术中。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明第一目的是提供了一种能够有效降低卷烟主流烟气中的重金属镉、汞、铅释放量的新型滤嘴材料；第二目的在于提供所述新型滤嘴材料的制备方法；第三目的是所述新型滤嘴材料在卷烟滤嘴中的应用。

本发明提供的新型滤嘴材料为巯基功能化壳聚糖多孔微球，能够满足现有滤棒成型工艺的要求。通过向滤棒中添加该巯基功能化壳聚糖多孔微球，能够有效降低卷烟主流烟气中的重金属释放量。

本发明的第一目的是这样实现的，所述的新型滤嘴材料为巯基功能化的多孔壳聚糖微球，包含一种以巯基化试剂与交联壳聚糖反应得到的巯基功能化吸附剂。

本发明的第二目的是这样实现的，包括以下步骤：

A、用醋酸溶液溶解1g~5g的脱乙酰化程度为80%~95%的壳聚糖粉末，在氢氧化钠碱液中沉淀后，通过洗涤得到湿润凝胶状的壳聚糖微球；

B、用交联剂戊二醛与湿润的壳聚糖微球发生交联反应后，通过洗涤得到交联壳聚糖微球；

C、将交联壳聚糖微球与巯基化试剂1g~3g:0.5mL~1.5mL的比例混合，在20~60℃下振荡16-24h，然后通过洗涤、过滤、干燥、造粒得到粒径在16-70目的巯基功能化的多孔壳聚糖微球即为目标物。

本发明的第三目的是这样实现的，所述的新型滤嘴材料在滤嘴中的应用。

与现有技术相比，本发明具有以下优势：

1、本发明所使用的巯基功能化壳聚糖多孔微球利用交联剂如戊二醛在壳聚糖链之间发生交联，可赋予聚合物三维网络结构；交联可降低壳聚糖在低pH介质（如烤烟型卷烟烟气）中的溶解度，增加其机械强度；交联也能增加壳聚糖链间的间距，改善了重金属离子与氨基位点的作用能力。

2、本发明所使用的巯基功能化壳聚糖多孔微球，其孔径、粒径及交联度可根据需要进行调控，从而能够调节对卷烟烟气重金属的吸附能力。

3、壳聚糖分子中含有的大量氨基特别适合改性，可以键合巯基官能团，而富含硫的壳聚糖衍生物是重金属离子良好的吸附剂。本发明通过巯基功能化改性能增加壳聚糖微球对卷烟烟气中重金属的选择性吸附。

4、本发明所用巯基化试剂半胱氨酸反应活性高、无毒无害。

5、本发明所用壳聚糖为天然高分子材料，其来源广泛，可在环境中自然降解，制备得到的巯基功能化壳聚糖多孔微球具有良好的生物相容性，较现在滤棒中所使用的树脂类吸附材料有更高的安全性。

6、本发明制备的巯基功能化壳聚糖吸附剂添加到滤棒中，卷接卷烟后分析烟气，能有效降低卷烟主流烟气中重金属镉含量5%-35%，汞含量15%-50%，铅含量5%-15%。

7、本发明所使用的巯基功能化壳聚糖多孔微球能够直接满足滤棒成型加工的粒径和机械强度的要求，能直接用于滤棒成型加工，生产工艺简便，并且基本不影响卷烟吸味。

附图说明

图1为本发明制备的巯基功能化壳聚糖小球扫描电镜（SEM）图；

图2为巯基功能化壳聚糖小球均匀撒在醋酸纤维丝束上制备的二元复合滤棒图；

图3为巯基功能化壳聚糖小球添加到醋酸纤维滤棒中并与空白醋纤滤棒复合制备的二元复合滤棒图；

图4为巯基功能化壳聚糖小球添加到三元空腔滤棒的空腔中制备的三元复合滤棒图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明的具体实施方式及有关技术问题作进一步详细的描述。下这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

本发明所述的新型滤嘴材料为巯基功能化的多孔壳聚糖微球，包含一种以巯基化试剂与交联壳聚糖反应得到的巯基功能化吸附剂。

所述的滤嘴材料为颗粒状、粒径分布范围为16-70目。

所述的巯基化试剂为半胱氨酸、巯基乙酸或2-亚氨基硫杂环戊烷盐酸盐中的一种。

所述的交联剂为戊二醛。

本发明所述的新型滤嘴材料的制备方法，包括以下步骤：

A、用醋酸溶液溶解1g~5g的脱乙酰化程度为80%~95%的壳聚糖粉末，在氢氧化钠碱液中沉淀后，通过洗涤得到湿润凝胶状的壳聚糖微球；

B、用交联剂戊二醛与湿润的壳聚糖微球发生交联反应后，通过洗涤得到交联壳聚糖微球；

C、将交联壳聚糖微球与巯基化试剂1g~3g:0.5mL~1.5mL的比例混合，在20~60℃下振荡16-24h，然后通过洗涤、过滤、干燥、造粒得到粒径在16-70目的巯基功能化的多孔壳聚糖微球即为目标物。

B步骤中的戊二醛与湿润壳聚糖微球比例为1~1.5mL:1~2g。

C步骤中所用巯基化试剂为半胱氨酸、巯基乙酸或2-亚氨基硫杂环戊烷盐酸盐中的一种。

本发明的应用为所述的新型滤嘴材料在滤嘴中的应用。

所述的新型滤嘴材料的应用在于在滤棒成型过程中，将所述的新型滤嘴材料均匀地撒在丝束中、或添加到醋酸纤维滤棒中并与空白醋纤滤棒复合制成二元复合滤棒、或添加到三元空腔滤棒的空腔中。

所述的新型滤嘴材料添加量为10-50mg/支。

实施例1

用醋酸溶液溶解2g的脱乙酰化程度85%的壳聚糖粉末，在氢氧化钠碱液中沉淀后，通过洗涤得到湿润的凝胶状壳聚糖微球；用交联剂戊二醛与湿润的壳聚糖微球发生交联反应后，通过洗涤得到交联壳聚糖微球；将交联壳聚糖微球与半胱氨酸按1g:1.5mL的比例混合，在室温下振荡20h，然后通过洗涤、过滤、干燥、造粒得到粒径在16-70目的巯基功能化的多孔壳聚糖微球。

实施例2

用醋酸溶液溶解4g的脱乙酰化程度90%的壳聚糖粉末，在氢氧化钠碱液中沉淀后，通过洗涤得到湿润的凝胶状壳聚糖微球；用交联剂戊二醛与湿润的壳聚糖微球发生交联反应后，通过洗涤得到交联壳聚糖微球；将交联壳聚糖微球与巯基乙酸按2g:1mL比例混合，在室温下振荡16h，然后通过洗涤、过滤、干燥、造粒得到粒径在16-70目的巯基功能化的多孔壳聚糖微球。

实施例3

将实施例1-2制得的任一巯基功能化壳聚糖多孔微球在滤棒成型过程中均匀撒在丝束中，添加量为10mg/支，将制得的巯基功能化壳聚糖多孔微球复合滤棒应用于卷烟，经烟气检测，同比降低了主流烟气中重金属释放量。该巯基功能化壳聚糖多孔微球复合滤棒对卷烟的感官品质无负面影响。

实施例4

将实施例1-2制得的任一巯基功能化壳聚糖多孔微球在滤棒成型过程中添加到醋酸纤维滤棒中并与空白醋纤滤棒复合制成二元复合滤棒，添加量为50mg/支，将制得的巯基功能化壳聚糖多孔微球复合滤棒应用于卷烟，经烟气检测，同比降低了主流烟气中重金属释放量。该巯基功能化壳聚糖多孔微球复合滤棒对卷烟的感官品质无负面影响。

实施例5

将实施例1-2制得的任一巯基功能化壳聚糖多孔微球在滤棒成型过程中添加到三元空腔滤棒的空腔中复合制成三元复合滤棒，添加量为25mg/支，将制得的巯基功能化壳聚糖多孔微球复合滤棒应用于卷烟，经烟气检测，同比降低了主流烟气中重金属释放量。该巯基功能化壳聚糖多孔微球复合滤棒对卷烟的感官品质无负面影响。

Claims (3)

1.一种滤嘴材料在有效降低卷烟主流烟气中重金属镉、汞、铅含量上的应用，其特征在于所述滤嘴材料为巯基功能化的多孔壳聚糖微球，能有效降低卷烟主流烟气中重金属镉含量5%~35%、汞含量15%~50%、铅含量5%~15%；巯基功能化的多孔壳聚糖微球制备方法包括：

A、用醋酸溶液溶解1g~5g的脱乙酰化程度为80%~95%的壳聚糖粉末，在氢氧化钠碱液中沉淀后，通过洗涤得到湿润凝胶状的壳聚糖微球；

B、用交联剂戊二醛与湿润的壳聚糖微球发生交联反应后，通过洗涤得到交联壳聚糖微球；戊二醛与湿润壳聚糖微球比例为1~1.5mL:1~2g；

C、将交联壳聚糖微球与巯基化试剂1g~3g:0.5mL~1.5mL的比例混合，在20~60℃下振荡16~24h，然后通过洗涤、过滤、干燥、造粒得到粒径在16~70目的巯基功能化的多孔壳聚糖微球；所述巯基化试剂为巯基乙酸或2-亚氨基硫杂环戊烷盐酸盐。

2.根据权利要求1所述的应用，其特征在于在滤棒成型过程中，将所述滤嘴材料均匀地撒在丝束中、或添加到醋酸纤维滤棒中并与空白醋纤滤棒复合制成二元复合滤棒、或添加到三元空腔滤棒的空腔中。

3.根据权利要求1所述的应用，其特征在于所述滤嘴材料添加量为10~50mg/支。