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加热不燃烧型电子烟烟气成分分析用过滤材料的研制

作者：李政万莹杜齐刘文杨扬来源：《中国造纸》日期：2022-03-31人气：796

长期以来，了解吸烟危害的本质是一项艰巨而复杂的任务^[1]，现在已知的卷烟烟气中的化学成分有5000余种^[2]，对其中有害成分的研究一直是全球重要的科技攻关课题。为分析烟气中有害物质的成分及含量，烟草行业设计了吸烟机来模拟吸烟过程^[2-4]。吸烟机中使用一种过滤材料来捕集烟气，通过分析过滤材料上截留的烟气成分来对主流烟气进行评价。ISO 3308（或GB/T 16450）对过滤材料（滤材）的性能进行了规定^[5]，要求滤材至少应截留99.9%直径≥0.3 μm的邻苯二甲酸二辛脂气溶胶，且滤材的过滤阻力不超过360 Pa。

近几年，随着电子烟在国内外逐渐兴起，对烟气分析提出了更高的要求^[6]。电子烟与普通卷烟的作用机理存在一定差别，现行的卷烟烟气用过滤材料具有一定的局限性。与普通卷烟（入口温度＜30℃）相比，加热不燃烧型电子烟的烟气在穿过过滤材料时温度较高（约40~50℃），且电子烟本身也含有比传统卷烟较多的水分，因此使用过滤材料检测电子烟时，会有大量的水汽透过过滤材料在补集器后端凝结，造成测试数据不准确。本研究通过探究过滤材料吸水量的影响因素，采用多层复合工艺，研究了多种纤维原料及配比对过滤材料过滤效率、过滤阻力以及吸水量的影响，试制了一种过滤效率≥99.9%，过滤阻力≤360 Pa，且吸水能力强的过滤材料。

1 实　验

1.1　原料及试剂

玻璃纤维A，直径10~20 μm，长度3~6 mm，泰山玻璃纤维有限公司；玻璃纤维B，直径0.5~1.0 μm，长度5~10 mm，榆林天盛缘玻璃纤维有限公司；棉浆，山东银鹰股份有限公司；维尼纶，长度5 mm，中国石化集团四川维尼纶厂；丝光浆，自制；改性热熔涤纶纤维，2.0 dtex，长度3 mm，帝人株式会社；双组份纤维，2.0 dtex，长度3 mm，帝人株式会社；漂白硫酸盐针叶木浆，北京中基明星贸易有限公司。

湿强剂PAE，固含量10.4%，石家庄冀亨助剂有限公司；丙烯酸乳液，自制。

1.2　仪器与设备

纸浆标准解离器（03，L&W公司）；PALAS滤料测试系统（MFP3000，德国PALAS公司）；鼓式干燥器（E-100，美国AMC公司）；卧式拉力机（ZB-WL30，杭州纸邦自动化技术有限公司）；纸页成型器（中国制浆造纸研究院有限公司）。

1.3　实验方法

1.3.1　过滤材料制备

针叶木浆和棉浆用Vally打浆机在浆浓1.57%下疏解或继续打浆，其他纤维使用标准解离器分散，然后根据不同的工艺配方进行配浆。过滤层使用纸页成型器抄造成湿纸幅后备用，吸水层使用纸页成型器抄造成湿纸幅后与备用的过滤层复合，复合后的滤材使用转鼓干燥器干燥。

1.3.2　物理性能指标测试

定量、抗张强度等基本物理性能指标均按照最新执行的国家标准测定。

1.3.3　过滤性能

过滤效率和过滤阻力按照ISO 29463-5：2018进行测试。

1.3.4　吸水性测试方法

模拟吸烟机测试过程，采用间歇式真空泵连接捕集器，在捕集器前方放置小型加湿器，如图1所示。测试开始前先测量滤片的质量m₁，滤片的直径为44 mm，测试开始后启动加湿器和间歇式真空泵，间歇式真空泵产生的负压使加湿器产生的水汽被吸入捕集器中，吸入捕集器中的水汽被滤材吸收，当滤材中吸收的水汽饱和后，就会有水汽透过滤材和捕集器进入捕集器后端的塑料导管中，当在塑料导管中发现有水汽时，关闭加湿器和间歇式真空泵，测量吸水后滤片的质量m₂。然后通过计算测试后与测试前滤材的质量差m（m₂-m₁）来评价滤片的吸水性。m越大表明滤材吸收的水分越多，滤材的吸水性越好。

图1 滤材吸水性测试方法示意图

Fig. 1 Diagram of water absorption test method for filter pad

2 结果与讨论

根据前期的研究结果，市售卷烟烟气用过滤材料一般定量220 g/m²，过滤效率≥99.9%，过滤阻力≤360 Pa，抗张强度（纵横向平均）0.8 kN/m左右。本研究在前期对滤材过滤效率和过滤阻力研究的基础上，又对过滤材料的吸水性进行了深入的探究。

2.1　滤材纤维原料的研究

本研究首先探讨了针叶木化学浆（以下简称木浆）、丝光浆、棉浆和维尼纶4种纤维对滤材吸水性的影响。由于使用玻璃纤维和其他纤维进行混抄，难以达到滤材要求的过滤性能，因此设计了双层复合的结构，使用玻璃纤维抄造过滤层，其他纤维抄造吸水层。过滤层定量120 g/m²，采用玻璃纤维A和玻璃纤维B混抄，添加增强助剂PAE和丙烯酸乳液来提高过滤层的强度。吸水层定量设计为100 g/m²，PAE添加量为1%。

2.1.1　纤维原料对滤材过滤效率和过滤阻力的影响

图2和图3分别为纤维原料对滤材过滤效率和过滤阻力的影响。从图2和图3中可以看出，采用木浆、丝光浆、棉浆和维尼纶分别作为吸水层复合玻璃纤维过滤层后，所制滤材均能达到过滤效率（≥99.9%）的要求。使用木浆和棉浆作为吸水层大幅提高了滤材的过滤阻力，远超过过滤阻力≤360 Pa的要求；而使用丝光浆和维尼纶作为吸水层，滤材过滤阻力≤360 Pa，可以满足要求。