CN105361241B - 一种填充有氧化石墨烯的卷烟二元复合滤嘴及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种填充有氧化石墨烯的卷烟二元复合滤嘴及其制作方法，所述卷烟滤嘴内均匀浸渍有采用改进的Hummers法制备的氧化石墨烯分散液，所述氧化石墨烯分散液的浓度为0.2mg/ml—1mg/ml，滴加量为0.3ml—1ml。本发明实现了氧化石墨烯基复合滤嘴的便捷制备，且不改变原有的卷烟结构，生产加工方便，可以有效选择性的降低卷烟主流烟气中酚类化合物含量，苯酚含量最高可降低100％。

Description

一种填充有氧化石墨烯的卷烟二元复合滤嘴及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种填充有氧化石墨烯的卷烟二元复合滤嘴及其制备方法。

背景技术

目前，努力提高卷烟的吸食安全性已经成为国内外烟草行业的共识，为了降低卷烟主流烟气中苯酚、氰化氢和醛酮类等致癌有害成分，其中，卷烟滤棒是烟草吸食者与烟支之间一个很重要的桥梁，它能有效截留主流烟气中部分有害成分，减少烟气对人体健康和环境的危害，目前市面上所用的卷烟滤棒绝大部分是醋纤滤棒、丙纤滤棒和纸质滤棒。近年来研究人员也主要致力于在卷烟滤棒中加入各种活性材料对上述释放物进行物理化学吸附，如采用活性炭纤维、海泡石纤维、离子交换纤维、金属或金属氧化物掺杂的纤维材料等。尽管这些方法在一定程度上减少了卷烟主流烟气中的释放物，但是真正得以应用的较少，因为大部分材料存在损害成型设备、成本高昂、引入杂质及异味、改变卷烟抽吸风味等问题，此外，这些传统高分子材料或金属修饰材料也因本身具有选择性差、极性低、活性共轭位点少等缺陷而受到限制，最近兴起的对膨化烟梗、茶叶、中草药等天然植物材料用于卷烟滤棒降焦减害的研究，主要是利用其结构的疏松多孔性以截留吸附烟气，但这些孔结构多为密闭的空腔结构，对烟气中有害物质的过滤效率较低，同样也制约了这些过滤材料在中式卷烟中的应用。

发明内容

本发明要解决的技术问题是现有的卷烟滤棒对烟气中的有害物质的过滤效率低、成本高昂、影响卷烟抽吸风味。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种填充有氧化石墨烯的卷烟二元复合滤嘴，其特征在于：所述卷烟滤嘴内均匀浸渍有采用改进的Hummers法制备的氧化石墨烯分散液，所述氧化石墨烯分散液的浓度为0.2mg/ml—1mg/ml，滴加量为0.3ml—1ml。

氧化石墨烯(graphene oxide)是石墨烯的氧化物，经氧化后，其表面含氧官能团增多而使性质较石墨烯更加活泼。此外，氧化石墨烯长久以来被视为亲水性物质，因而其在水中具有优越的分散性，但是，相关实验结果显示，氧化石墨烯实际上具有两亲性，且从石墨烯薄片边缘到中央呈现亲水至疏水的性质分布。因此，氧化石墨烯可如同界面活性剂一般存在界面，并降低界面间的能量。经过氧化处理后，氧化石墨仍保持石墨的层状结构，但在每一层的石墨烯单片上引入了丰富的羟基、羧基和碳氧官能团，易与羟基、氨基、羧基等极性基团形成氢键。此外，碳材料本身具有良好的吸附性能、无菌无毒、耐热性等特点。本发明采用氧化石墨烯分散液填充滤嘴，在达到过滤有害物质效果的同时，也保证了吸食的口感不受影响，高于本发明采用的氧化石墨烯分散液最高用量的，会影响卷烟吸食口感，且长期使用，有毒害人体的副作用，而低于本发明最低用量的，无法有效的起到过滤效果。

一种填充有氧化石墨烯的卷烟二元复合滤嘴的制备方法，所述方法的具体步骤如下：1)配制氧化石墨烯分散液，分散液浓度为0.2mg/ml—1mg/ml；2)将氧化石墨烯分散液均匀滴在市售卷烟滤嘴上，滴加量为0.3ml—1ml，浸渍后保持烟支在下、过滤嘴在上15min-60min；3)将滤嘴置于35—60℃下恒温烘干2—4h，得到了填充有氧化石墨烯的二元复合滤嘴；4)将烘干后得到滤嘴静置空气中12—24h。

浸渍后保持烟支在下、过滤嘴在上15min-60min，能充分满足滤嘴对分散液的渗透和吸附的效果。将滤嘴置于35—60℃下恒温烘干2—4h，既不会因为烘干的温度太高，破坏烟丝的口感，也不会因为温度太低，导致烘干的效率低下。将烘干后得到滤嘴静置空气中12—24h，起到的作用是回潮，保证烟不会因为烘干后过于干燥导致燃烧过快、口感流失的问题。本发明将氧化石墨烯作为添加剂应用于卷烟滤棒，能有效选择性降低卷烟主流烟气中酚类化合物含量；将氧化石墨烯添加在卷烟滤棒中后并未改变原滤棒疏松多孔的结构，氧化石墨烯片层结构很好的与滤棒中的纤维结合在了一起，一方面利用片层上植入的众多含氧官能团有效地吸附了焦油等物质，配合醋酸纤维内部的多孔性起到了过滤截留烟气的作用，同时氧化石墨烯优秀的隔热性能及稳定性，可降低烟气进入口腔的温度，尤其是烟支燃吸接近滤嘴时，能够提供更舒适、从容的抽吸感受，此外，氧化石墨烯成本较低，来源丰富，制备途径多样，易于实现工业化生产，具有良好的工业应用前景。

进一步，所述氧化石墨烯分散液采用改进的Hummers法制备。采用该种方法制作分散液成本低，效果好。

优选的，步骤2中保持烟支在下、过滤嘴在上的时间为20min—40min。

优选的，步骤3中滤嘴烘干的温度为40—60℃。

本发明的优点是：本发明针对现有技术的不足，本发明以掺入氧化石墨烯滤棒为载体，利用氧化石墨烯的高表面反应活性，强吸附性等性质，有效选择性降低卷烟主流烟气中酚类化合物含量，该添加剂原料简单易得，实施方便，且安全无毒，最大程度上保留了卷烟原始吸食风味。

附图说明

图1为市购卷烟烟支过滤嘴SEM中纤维状结构排列示意图。

图2为本发明卷烟烟支过滤嘴SEM中纤维状结构排列示意图。

图3为市购卷烟参照烟草行业标准YC/T 255-2008测试得到的主流烟气高效液相色谱图(空白样)。

图4为本发明参照烟草行业标准YC/T 255-2008测试得到的主流烟气高效液相色谱图。

图5是本发明方法的操作示意图。

具体实施方式

如图1-2所示，未掺杂之前，滤嘴中纤维状结构排列较为有序，纤维表面比较平滑，很少有物质附着。掺杂之后，发现有片层状结构包裹了上述纤维结构，测试过程中发现大面积出现这种结构。说明制得的二元复合滤嘴在微观尺度上达到了很好的效果。

如图3-4所示，参照烟草行业标准YC/T 255-2008测得实际保留时间为28.91min时出现苯酚特征吸收峰，不难发现，空白样高效液相色谱图中保留时间为28.92min时峰面积为8.1697mAU·min，经烟草行业标准YC/T 255-2008提供的计算方法换算后对应单支普通滤嘴过滤后主流烟气中苯酚的含量，以及氧化石墨烯基二元复合滤嘴卷烟高效液相色谱图中保留时间为28.99min时峰面积为0.0103mAU·min，经烟草行业标准YC/T 255-2008提供的计算方法换算后对应单支氧化石墨烯基二元复合滤嘴过滤后主流烟气中苯酚的含量，苯酚含量下降了99.87％，接近全部滤除。本发明氧化石墨烯基二元复合滤嘴是目前公开报道中选择性吸附去除苯酚效果最好的。

以市购的天然石墨片和某中式卷烟品牌为原料，采用改进的Hummers法制备氧化石墨烯，配制一定浓度的氧化石墨烯悬浮液，以中式卷烟的过滤嘴为载体，将上述氧化石墨烯溶液小心、均匀滴在市售卷烟滤嘴上，浸渍后保持烟支在下、过滤嘴在上20—40min以达到最佳渗透-吸附效果；接着置于40—60℃下恒温烘干2h—4h，得到包含有氧化石墨烯基二元复合滤嘴的卷烟样品，之后放在空气中12—24h以类似普通卷烟。所述方法的具体步骤如下：

(1)采用现有的改进的Hummers法制备氧化石墨烯，称取一定质量的氧化石墨烯用去离子水浸泡12h，在功率为100W的超声装置中室温下超声1-5小时，得到分散均匀的氧化石墨烯悬浮液；

(2)取0.3—1ml上述氧化石墨烯溶液小心、均匀滴在市售卷烟滤嘴上，浸渍后保持烟支在下、过滤嘴在上20min—40min以达到最佳渗透-吸附效果；

(3)接着置于40—60℃下恒温烘干2—4h，得到了填充有氧化石墨烯的二元复合滤嘴，之后放在空气中12—24h即得填充有氧化石墨烯的二元复合滤嘴卷烟。

以下以具体实例来说明本发明的技术方案，但本发明的保护范围不限于此：

本发明中使用的氧化石墨烯通过改进的Hummers法制备。

实施例1

氧化石墨烯基二元复合滤嘴的卷烟样品的制备方法的具体步骤如下：

(1)称取0.05g氧化石墨用50ml去离子水浸泡12h，在功率为100W的超声装置中室温下超声2小时，得到分散均匀的浓度为1mg/ml的氧化石墨烯悬浮液；

(2)取1ml上述氧化石墨烯溶液小心、均匀滴在市售卷烟滤嘴上，浸渍后保持烟支在下、过滤嘴在上15min进行渗透-吸附；

(3)接着置于60℃下恒温烘干2h，得到了填充有氧化石墨烯的二元复合滤嘴，之后放在空气中12h即得填充有氧化石墨烯的二元复合滤嘴卷烟。

此实施例制备得到的二元复合滤嘴中氧化石墨烯含量少，制备成本低廉，不足现有技术中的制备成本的30％，但可以滤除主流烟气中99.8％以上的苯酚有害物，此外，滤嘴中的分散液浸渍效果达标，对于卷烟的吸食口感没有影响。

实施例2

(1)称取0.025g氧化石墨用50ml去离子水浸泡12h，在功率为100W的超声装置中室温下超声2小时，得到分散均匀的浓度为0.5mg/ml的氧化石墨烯悬浮液；

(2)取0.3ml上述氧化石墨烯溶液小心、均匀滴在市售卷烟滤嘴上，浸渍后保持烟支在下、过滤嘴在上20min进行渗透-吸附；

(3)接着置于40℃下恒温烘干3h，得到了填充有氧化石墨烯的二元复合滤嘴，之后放在空气中12h即得填充有氧化石墨烯的二元复合滤嘴卷烟。

此实施例制备得到的二元复合滤嘴中氧化石墨烯含量少于实施例1，制备成本更低廉，但可以滤除主流烟气中99.7％以上的苯酚有害物，此外，滤嘴中的分散液浸渍效果较好，保持卷烟较好的吸食口感。

实施例3

(1)称取0.01g氧化石墨用50ml去离子水浸泡12h，在功率为100W的超声装置中室温下超声2小时，得到分散均匀的浓度为0.2mg/ml的氧化石墨烯悬浮液；

(2)取0.5ml上述氧化石墨烯溶液小心、均匀滴在市售卷烟滤嘴上，浸渍后保持烟支在下、过滤嘴在上60min进行渗透-吸附；

(3)接着置于60℃下恒温烘干2h，得到了填充有氧化石墨烯的二元复合滤嘴，之后放在空气中20h即得填充有氧化石墨烯的二元复合滤嘴卷烟。

此实施例制备得到的二元复合滤嘴中氧化石墨烯含量少于实施例2，制备成本比实施例2更低，但可以滤除主流烟气中99.5％以上的苯酚有害物，由于烘干的温度较高，烘焙的速率比实施例1和实施例2高10％-20％，烘干完后，回潮20h，使得卷烟内的烟丝回复正常吸食的状态，此外，滤嘴中的分散液浸渍效果非常好，卷烟吸食口感好。

实施例4

(1)称取0.025g氧化石墨用50ml去离子水浸泡12h，在功率为100W的超声装置中室温下超声2小时，得到分散均匀的浓度为0.5mg/ml的氧化石墨烯悬浮液；

(2)取1ml上述氧化石墨烯溶液小心、均匀滴在市售卷烟滤嘴上，浸渍后保持烟支在下、过滤嘴在上40min进行渗透-吸附；

(3)接着置于35℃下恒温烘干4h，得到了填充有氧化石墨烯的二元复合滤嘴，之后放在空气中24h即得填充有氧化石墨烯的二元复合滤嘴卷烟。

此实施例制备得到的二元复合滤嘴中氧化石墨烯含量稀少，制备成本极低，但可以滤除主流烟气中99.3％以上的苯酚有害物，此外，由于烘干的温度低，回潮的时间长，因此，卷烟的吸食口感较前几个实施例而言更好。

如图5所示，本发明的滤嘴是由醋酸纤维滤棒段掺杂有氧化石墨烯组合而成二元复合滤嘴，即在滤嘴内均匀浸渍有采用改进的Hummers法制备的氧化石墨烯分散液，所述氧化石墨烯分散液的浓度为0.2mg/ml—1mg/ml，滴加量为0.3ml—1ml。

卷烟主流烟气在通过这个二元复合滤嘴时，氧化石墨烯颗粒会吸附其中的酚类等有害物质，如苯酚，邻甲酚，间甲酚，对甲酚等。参照国家烟草专卖局颁布的行业标准YC/T255-2008测试表明，此复合滤嘴对主流烟气中苯酚去除率最高近100％，有效控制了大量有害物质吸入体内，减轻了对卷烟吸食者的健康危害。

Claims (3)

1.一种填充有氧化石墨烯的卷烟二元复合滤嘴的制备方法，其特征在于所述制备方法的具体步骤如下 ：

1) 配制氧化石墨烯分散液，分散液的浓度为0.2mg/ml—1mg/ml，所述氧化石墨烯分散液采用改进的 Hummers 法制备；

2) 将氧化石墨烯分散液均匀滴在市售卷烟滤嘴上，滴加量为0.3ml—1ml，浸渍后保持烟支在下、过滤嘴在上15min-60min；

3)将滤嘴置于35—60℃下恒温烘干2—4h，得到了填充有氧化石墨烯的二元复合滤嘴；

4) 将烘干后得到滤嘴静置空气中12—24h。

2.根据权利要求1所述的一种填充有氧化石墨烯的卷烟二元复合滤嘴的制备方法，其特征在于：所述步骤2中保持烟支在下、过滤嘴在上的时间为20min—40min。

3.根据权利要求1所述的一种填充有氧化石墨烯的卷烟二元复合滤嘴的制备方法，其特征在于 ：所述步骤3中滤嘴烘干的温度为40—60℃。