CN108835710B - 一种烟气温度可控、低温不燃烧的香烟过滤嘴棒及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种烟气温度可控、低温不燃烧的香烟过滤嘴棒及其制备方法。通过将一定粒径的聚乳酸微粒按照一定比例均匀嵌布到烟用丝束中制得了性能优异的低温不燃烧香烟过滤嘴棒，解决了现有同类产品普遍存在的烟气温度调控不够好、烟气通道易堵塞、烟气吸入口感欠佳等问题。本发明引入的聚乳酸材料及三醋酸甘油酯等环保型改性助剂具有生物相容性好、可生物降解、安全环保等优点，这些材料的使用不但对人体无毒害而且符合绿色经济的原则，利用该方法制得的过滤嘴棒可以在低温不燃烧烟中广泛使用。

Description

一种烟气温度可控、低温不燃烧的香烟过滤嘴棒及其制备 方法

技术领域

本发明涉及吸附过滤材料及烟草技术领域，具体涉及一种烟气温度可控、低温不燃烧的香烟过滤嘴棒及其制备方法。

背景技术

传统卷烟制品燃烧产生的烟雾中通常存在数十种致癌物质。相关研究表明，烟气中的各种化学物质的生成和卷烟燃烧温度的高低有密切关系，卷烟的危害性指数随着卷烟燃烧温度的提高而升高。此外，燃烧生成的烟雾弥漫在空气中形成二手烟。加热不燃烧卷烟是一种新型的卷烟产品。与传统卷烟不同，以加热不燃烧为思路设计的低温卷烟能使烟叶刚好加热到足以散发出味道的程度，而不会点燃烟叶。通常情况下，普通卷烟在吸食时由于高温会产生众多有害物质，而低温卷烟都是在400℃以下吸食，有害物质会大幅减少。在禁烟控烟的国际环境和大背景下，加热不燃烧卷烟的研发和应用具有重要的意义。

根据全球知名的咨询公司欧睿国际最近发布的调查数据，加热不燃烧卷烟产品将会是未来5年增长速度最快的产品，其销售额在2021年将达到154亿美元，远高于2016年的20亿美元，增幅高达691％。该项研究还表明：日本是目前全球最大的加热不燃烧烟草产品市场，占有此类产品全球销售量的96％；德国是第二大市场，美国将在2021年超过德国；第三和第四大市场分别是瑞士和葡萄牙，这两个国家也是增长最快的市场。基于此，全球大型烟草企业纷纷开始增产无需点燃的加热不燃烧装置及其加热棒。事实上，生产IQOS(爱夸思)加热不燃烧装置的菲利浦·莫里斯烟草国际公司2017年已投入巨额资金在德国东部建设新厂，该公司还在意大利、瑞士和希腊生产加热不燃烧装置及其配套的加热棒。英美烟草公司在韩国市场上推出了类似产品GLO-格鲁，日本烟草国际公司在本国市场上推出了加热不燃烧装置Ploom TECH-普鲁目。

近年来国内众多烟草制造企业、研究机构陆续进入新型烟草制品研发领域并已获得了专利。但是现有的低温卷烟系统发明设计中均未对吸入烟气温度做出任何具体技术要求，多数仍采用传统的卷烟嘴棒过滤设计思路。比如中国专利CN2014104676403公开了一种低温不燃烧卷烟用抽吸材料及其制备方法，该抽吸材料由烟草原料粉碎成粉末并经微波膨胀造粒后，再与香料植物颗粒、烟用香精、淀粉胶粘剂、丙二醇及烟用淀粉保润剂充分混匀后得到抽吸材料半成品，最后通过模压成型。再比如中国专利2015100278401公开了一种电加热不燃烧烟草的抽吸装置，其通过电加热的方式低温加热烟草制品，使烟草制品在不燃烧的前提下释放烟草香气，可使抽吸者在获得满足感的同时减少主动和被动吸烟对人体的危害性。

传统卷烟燃烧产生的烟气主要靠后端烟丝与过滤嘴棒过滤过程进行降温，从而达到人体适宜的吸食温度。加热不燃烧卷烟在烘烤温度为200-400℃的加热器件中进行，产生的烟气也需在烟嘴过滤段中进行降温处理，达到人体适宜接触的温度，同时满足烟民对烟气口感的要求。为了充分保证低温加热烟草制品烟气被人体吸入的有效利用率，需要尽量降低过滤段的烟气吸附率，即过滤段既要能够降温又要尽量少吸附。

菲利浦·莫里斯烟草国际公司开发的低温不燃烧香烟IQOS包括烟草制品段、中空过滤嘴段、聚乳酸材料段。其中烟草制品段长度为11mm左右，该段主要贡献烟气；中空滤嘴段长度为8mm左右，主要起到一定的降温以及隔热作用；聚乳酸材料段由厚度为0.05mm左右的聚乳酸片材折叠卷制而成，填充率为30％左右，孔隙率为70％左右，烟气接触面积约4000平方毫米，其作为烟气通道既起到支撑作用又有降温作用。该产品采用聚乳酸材料无疑给低温不燃烧香烟贴上了环保标签，更是利用了聚乳酸玻璃化温度低、融化温度较低等物理特点，有效降低了烟气的吸食温度，类似的技术还包括CN201510502839X、CN2013800033776。然而这种聚乳酸材料在接触到初始、过高温度的烟气时会融化，导致烟气通道被堵塞，因此必须与发热体设置足够的距离，这正是IQOS制品必须在聚乳酸的前端与发热体之间设计一截中空过滤嘴段的原因。即便如此，在吸食完毕后，前端聚乳酸薄膜仍有部分熔化，出现部分烟气通道被堵塞的现象。此外研究试验结果还表明，菲利浦·莫里斯烟草国际公司IQOS产品的烟气温度还不够理想，仍有轻微的烫嘴感。

为解决上述问题同时适应卷烟制品的发展趋势，本申请人创造性的将纯/改性聚乳酸微粒均匀的嵌入到过滤嘴棒中，以聚乳酸微粒作为吸热载体，既有效降低了烟气温度又避免了因聚乳酸融化而导致的烟气通道堵塞问题。当嵌入的聚乳酸微粒与烟气的接触面积大到一定程度就可以显著降低烟气的温度。在烟气吸入过程中，即便前端温度偏高导致部分聚乳酸软化或者熔融，但是聚乳酸微粒之间保留有足够的间隙，不会产生大面积的堵塞或变形，因而不会对烟气通道产生影响。这种嵌入了聚乳酸微粒的过滤嘴棒可以直接靠近烟草发热体使用，无需额外设置中空滤嘴段，结构更加简单，效果更好。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的上述不足，提供一种烟气温度可控、低温不燃烧的香烟过滤嘴棒，其包括由烟用丝束构成的过滤嘴棒体和聚乳酸微粒，所述聚乳酸微粒均匀的分布在过滤嘴棒体中。

所述聚乳酸微粒的质量填充百分比(即聚乳酸微粒质量/(聚乳酸微粒质量+过滤嘴棒质量))为5％-50％，优选为15％-30％。

所述聚乳酸微粒的粒径为10-100目，优选为40-60目。

制备聚乳酸微球的聚乳酸原料的特性粘数η的取值为0.1-15dl/g，粘均分子量为1000-1000000。

所述聚乳酸微粒由纯聚乳酸或者改性聚乳酸制成，其中改性聚乳酸由纯聚乳酸与增塑剂按照(100-X)：X(0≤X≤30)的质量比共混而成，所述增塑剂选自聚乙二醇、三醋酸甘油酯、乙酰柠檬酸酯、甘油等对人体吸入无毒害的小分子物质。

所述过滤嘴棒体选自二醋酸纤维丝束、聚丙烯纤维丝束等材料。

上述烟气温度可控、低温不燃烧的香烟过滤嘴棒的制备方法如下：

(a)利用纯聚乳酸或者改性聚乳酸制备聚乳酸微粒；

(b)在烟草用过滤嘴棒集束加工成型时，将聚乳酸微粒与过滤嘴棒丝束混合并成型，使聚乳酸微粒均匀嵌布在过滤嘴棒体中。

按照上述方案，所述聚乳酸微粒由纯聚乳酸或者改性聚乳酸经挤出、造粒、粉碎、筛分得到，所述造粒方式选自水下造粒、水环造粒、离心雾化造粒等。

按照上述方案，由改性聚乳酸制备聚乳酸微粒的过程如下：首先将纯聚乳酸与增塑剂置于剪切混合设备中于150-230℃下混合均匀，然后挤出并造粒，接着将聚乳酸颗粒与液氮混合使其脆化，最后粉碎过筛，所述剪切混合设备选自双螺杆挤出机、密炼机、对辊开炼机等中的一种。

本发明将一定粒径大小的聚乳酸微粒材料按照一定的比例均匀嵌布到过滤嘴棒中制得了性能优异的低温不燃烧香烟过滤嘴棒。该方法充分利用了聚乳酸材料熔点较低、低玻璃化转变温度低、吸热快、环保安全等优点，当加热后的烟气经过过滤嘴棒时，聚乳酸微粒既能起到调控烟气温度的目的又能改善吸入的口感，并且不会出现烟气通道堵塞的现象。本发明与现有技术相比，具有以下预料不到的有益效果：

(1)安全无毒、环保可降解。在现有过滤嘴棒材料的基础上，引入了与人体生物相容性好、能全生物降解、安全环保的聚乳酸材料及烟草行业常用的三醋酸甘油酯等环保型改性助剂，这些材料的使用不但对人体无毒害而且还符合绿色经济的原则；

(2)制备方法简单，对设备和工艺改进要求较低。聚乳酸微粒采用粉体嵌入式添加技术均匀分布在过滤嘴棒丝束中，该项技术在烟草行业十分成熟，工艺简单、生产成本低；

(3)相比于在过滤嘴棒内部设置孔洞(CN203618761U、CN203618762U等)、在过滤嘴棒中间或表面设置颗粒物填充段/层(CN106174692A、CN103054190A、CN102885401A、CN106376968A等)以及直接将聚乳酸作为过滤嘴棒原材料(如CN103987283A、CN105177737A等)的方式，本发明创造性的将聚乳酸微粒均匀嵌布在过滤嘴棒丝束中，能够更有效的调控烟气温度，并且杜绝了烟气通道堵塞的发生，利用该方法制得的过滤嘴棒可以在低温不燃烧烟中广泛使用。

附图说明

图1为本发明香烟过滤嘴棒结构示意图。

其中，1-过滤嘴棒，2-聚乳酸微球，3-过滤嘴棒丝束。

具体实施方式

为使本领域普通技术人员充分理解本发明的技术方案和有益效果，以下结合具体实施例和附图进行进一步说明。

本实施例选用的聚乳酸材料为美国NatureWorks公司生产的4032D聚乳酸产品，其粘均分子量为35000，特性粘度为3.5dl/g。所使用的混合设备为南京杰恩特公司生产的SHJ-36型双螺杆挤出机，干燥设备为上海圣科仪器设备有限公司生产的DZF-6050型真空干燥箱，粉碎造粒设备为常州春来制药机械有限公司生产的WF-250型不锈钢高速万能粉碎机，过滤嘴成型设备为德国豪尼公司生产的KDF2型烟嘴过滤成型机。其他原料均为普通市售。

用不锈钢托盘盛装聚乳酸原料，然后将聚乳酸倒入真空干燥箱中进行干燥，干燥温度60℃，干燥时间12小时。干燥完成后，将聚乳酸与三醋酸甘油酯按照90:10的质量比混合并搅拌均匀，密封保存备用，此即为改性聚乳酸预混料。按照上述方法也准备了同样份量的纯聚乳酸原料干燥备用。

开启双螺杆挤出机，设定好各区间温度：输送段130℃，熔融段170℃，混炼段180℃，排气段175℃，均化挤出段170℃。待各温度段的温度达到设定值并保温30min后，将混合好的改性聚乳酸预混料和纯聚乳酸分批从双螺杆挤出机的进料斗加入，待熔融混合物呈线条状从双螺杆挤出机中挤出后，采用风冷的方式使其冷却至室温，然后用塑料切粒机将聚乳酸线条进行切割造粒，分别得到改性聚乳酸颗粒和纯聚乳酸颗粒。粉碎前需用液氮分别将上述两种颗粒冷却降温提高其脆性，操作时将液氮倒入盛有聚乳酸颗粒的塑料容器中一段时间，然后将冷却的聚乳酸颗粒放入不锈钢高速万能粉碎机中粉碎，得到改性聚乳酸微粒和纯聚乳酸微粒。用不同目数的标准筛网进行筛选分级，得到各种尺寸规格均匀的纯聚乳酸/改性聚乳酸微粒材料。

取等量的目数为20的改性聚乳酸微粒和纯聚乳酸微粒，在烟嘴过滤成型机上集束时将聚乳酸微粒均匀嵌入分布到烟用丝束中去。所得香烟用过滤嘴棒中聚乳酸微粒的质量分数为20％。

实施例2

参照实施例1的方法，按照聚乳酸与乙酰柠檬酸酯80:20的质量比制备得到改性聚乳酸，然后利用其制备得到了目数为50的聚乳酸微粒，最终制得了聚乳酸微粒质量分数为30％的香烟用过滤嘴棒。

实施例3

参照实施例1的方法，按照聚乳酸与甘油85:15的质量比制备得到改性聚乳酸，然后利用其制备得到了目数为45的聚乳酸微粒，最终制得了聚乳酸微粒质量分数为15％的香烟用过滤嘴棒。

实施例4

参照实施例1的方法，按照聚乳酸与聚乙二醇75:25的质量比制备得到改性聚乳酸，然后利用其制备得到了目数为55的聚乳酸微粒，最终制得了聚乳酸微粒质量分数为25％的香烟用过滤嘴棒。

针对以上实施例，采用一种简单的方法检测烟气温度变化情况和聚乳酸的熔融及烟气通道堵塞状况。以IQOS低温不燃烧卷烟作为参照对比样，分别用上述各实施例制得的过滤嘴棒取代该IQOS低温不燃烧卷烟的过滤嘴棒，制备得到卷烟。为便于比较实施效果，采用与IQOS产品相同长度的烟嘴过滤棒，并邀请烟草专业人士对所有样品同时进行吸评测试，期间采用电子红外测温仪器检测烟气的温度变化，吸食完毕后将过滤嘴拆开，观察聚乳酸的融化情况。实验结果如下表所示：

表1 IQOS原装过滤嘴棒及本发明过滤嘴棒卷烟吸评测试结果表

由上表可知，本发明提供的香烟过滤嘴棒的确能够更有效的调控烟气温度，基本杜绝了烟气通道堵塞的发生。

Claims (7)

1.一种烟气温度可控、低温不燃烧的香烟过滤嘴棒，其特征在于该香烟过滤嘴棒包括由烟用丝束构成的过滤嘴棒体和聚乳酸微粒，所述聚乳酸微粒均匀的分布在过滤嘴棒丝束中；所述聚乳酸微粒由纯聚乳酸或者改性聚乳酸制成，其中改性聚乳酸由纯聚乳酸与增塑剂按照（100-X）：X的质量比共混而成，0≤X≤30，所述增塑剂选自聚乙二醇、三醋酸甘油酯、乙酰柠檬酸酯、甘油中的一种。

2.如权利要求1所述的一种烟气温度可控、低温不燃烧的香烟过滤嘴棒，其特征在于：聚乳酸微粒在过滤嘴棒体中的质量百分比为5%-50%。

3.如权利要求1所述的一种烟气温度可控、低温不燃烧的香烟过滤嘴棒，其特征在于：聚乳酸微粒的粒径为10-100目。

4.如权利要求1所述的一种烟气温度可控、低温不燃烧的香烟过滤嘴棒，其特征在于：用于制备聚乳酸微球的聚乳酸原料的特性粘数η为0.1-15dl/g，粘均分子量为1000-1000000。

5.权利要求1-4任一项中烟气温度可控、低温不燃烧的香烟过滤嘴棒的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

（a）利用纯聚乳酸或者改性聚乳酸制备聚乳酸微粒；

（b）在烟用过滤嘴棒集束加工成型时，将聚乳酸微粒与过滤嘴棒丝束混合并成型，使聚乳酸微粒均匀嵌布在过滤嘴棒体中。

6.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于：所述聚乳酸微粒由纯聚乳酸或者改性聚乳酸经挤出、造粒、粉碎、筛分得到，所述造粒方式选自水下造粒、水环造粒、离心雾化造粒中的一种。

7.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，由改性聚乳酸制备聚乳酸微粒的过程具体如下：首先将纯聚乳酸与增塑剂置于剪切混合设备中于150-230℃下混合均匀，然后挤出并造粒，接着将聚乳酸颗粒与液氮混合使其脆化，最后粉碎过筛，所述剪切混合设备选自双螺杆挤出机、密炼机、对辊开炼机中的任意一种。

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