李 政 萬(wàn) 瑩 杜 齊 劉 文，* 楊 揚(yáng) 毛宗久

（1.中國(guó)制漿造紙研究院有限公司，北京，100102；2.制漿造紙國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，北京，100102）

吸煙與健康是世界范圍關(guān)注的重大課題[1]。在吸煙的過程中，產(chǎn)生的煙氣含有一系列有害物質(zhì)，如煙氣中特有的N-亞硝胺類、苯并[a]芘等多環(huán)芳烴化合物、自由基等可能造成人體細(xì)胞的損傷，引發(fā)許多疾病[2]。為了分析煙氣中有害物質(zhì)的成分及含量，控制卷煙質(zhì)量，進(jìn)而降低吸煙對(duì)人體的危害，煙草行業(yè)設(shè)計(jì)了吸煙機(jī)來模擬吸煙過程[3]，捕集煙氣中的有害成分。吸煙機(jī)中用來捕集煙氣的裝置被稱為捕集器，捕集器中用來捕集煙氣有害成分的核心組件為一種紙基過濾材料，行業(yè)通稱為劍橋?yàn)V片（Cambridge filter pad[4]）。煙氣中大多數(shù)有害物質(zhì)的分析都是通過分析劍橋?yàn)V片上截留的主流煙氣有害成分來實(shí)現(xiàn)的。因此卷煙煙氣成分分析用過濾材料的研發(fā)和制備對(duì)于促進(jìn)我國(guó)煙草行業(yè)的健康發(fā)展，改善吸煙對(duì)人們的危害具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

卷煙煙氣的研究始于二十世紀(jì)五十年代末、六十年代初[1]，劍橋?yàn)V片曾是Whatman（沃特曼）公司專為分析香煙中煙堿和焦油含量所設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的產(chǎn)品，經(jīng)過近幾十年的發(fā)展，劍橋?yàn)V片產(chǎn)品仍然被國(guó)外市場(chǎng)壟斷，目前國(guó)內(nèi)煙草行業(yè)檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)所使用的劍橋?yàn)V片均為進(jìn)口產(chǎn)品，國(guó)內(nèi)未見相關(guān)的研究報(bào)道。

ISO 3308（或GB/T 16450）常規(guī)分析用吸煙機(jī)定義和標(biāo)準(zhǔn)條件中規(guī)定，濾片材料至少應(yīng)截留99.9%的具有140 mm/s線速度、直徑大于或等于0.3μm的鄰苯二甲酸二辛脂氣溶膠，在此氣流速下濾片系統(tǒng)的壓降不應(yīng)超過900 Pa，聚丙烯酸酯黏合劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)不應(yīng)超過5%。濾片系統(tǒng)應(yīng)無(wú)損失地定量截留卷煙燃燒產(chǎn)生的主流煙氣中的所有粒相物質(zhì)，且要求在有機(jī)溶劑苯、乙醇、異丙醇中浸泡30 min不分散，還要求其自身成分不影響被檢物質(zhì)在色譜中的信號(hào)[5]。本研究通過研究纖維原料及配比對(duì)抄造過濾材料（以下簡(jiǎn)稱濾材）過濾效率和過濾阻力的影響，以及漿內(nèi)添加和表面噴灑膠黏劑對(duì)濾材強(qiáng)度的影響，并將抄造的濾材與進(jìn)口產(chǎn)品進(jìn)行了對(duì)比，其各項(xiàng)性能不僅能達(dá)到ISO 3308的要求，也達(dá)到或超過了進(jìn)口產(chǎn)品的水平。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)試劑及原料

1.1.1 試劑

濕強(qiáng)劑PAE，固含量10.4%，石家莊冀亨助劑有限公司；原硅酸鈉，分析純，廣東翁江化學(xué)試劑有限公司；丙烯酸乳液A，市售；丙烯酸乳液B，自制。

1.1.2 原料

玻璃纖維A，直徑10～20μm，長(zhǎng)度3～6 mm，泰山玻璃纖維有限公司；玻璃纖維B，直徑0.5～1.0μm，長(zhǎng)度5～10 mm，榆林天盛緣玻璃纖維有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

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）；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（RK-3A，中國(guó)制漿造紙研究院有限公司）；纖維測(cè)量?jī)x（XWY-VII，珠海華倫造紙科技公司）；鼓式干燥器（E-100，美國(guó)AMC公司）；熒光能譜儀（ARL QUANT，賽墨飛世爾科技有限公司）；掃描電子顯微鏡（S-3400N，日立先端科技股份有限公司）。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 物理性能指標(biāo)測(cè)試

濾材定量按GB/T 451.2—2002測(cè)定、緊度按GB/T 451.3—2002測(cè)定、抗張強(qiáng)度按GB/T 12914—2008測(cè)定。過濾效率和過濾阻力按照ISO 29463-5∶2018進(jìn)行測(cè)定。

1.3.2 手抄片制備

按照GB/T 24326—2009中的方法在紙頁(yè)成型器上抄片，使用轉(zhuǎn)鼓干燥器干燥。

1.3.3 紙張分析

纖維測(cè)量?jī)x分析：取適量的濾材樣品，將其分散為纖維懸浮液，用Graff“C”染色劑染色后觀察纖維的形態(tài)特征，從而判斷纖維的種類。

掃描電子顯微鏡（SEM）：用薄刀片裁取所需大小的濾材，將濾材固定在樣品臺(tái)面，所需觀察的表面或截面朝上，噴金處理后觀察濾材表面。

2 結(jié)果與討論

根據(jù)ISO 3308的規(guī)定及用戶的使用要求，煙氣成分分析用過濾材料應(yīng)滿足過濾效率≥99.9%，過濾阻力≤360 Pa，紙張強(qiáng)度應(yīng)較好，不應(yīng)在使用過程中出現(xiàn)破損[5]。

2.1 纖維配比對(duì)濾材過濾性能的影響

玻璃纖維是生產(chǎn)高效和超高效過濾材料最常使用的纖維原料，也是達(dá)到濾材過濾性能要求的關(guān)鍵原料[6]。本研究選取直徑10～20μm玻璃纖維A和直徑為0.5～1.0μm玻璃纖維B進(jìn)行配抄，其纖維長(zhǎng)度分布如圖1所示。玻璃纖維A平均長(zhǎng)度為3.231 mm，因其為短切化學(xué)纖維，纖維長(zhǎng)度主要分布在2.5～3.5 mm的范圍內(nèi)，細(xì)小纖維含量極少。玻璃纖維B平均長(zhǎng)度為2.023 mm，纖維長(zhǎng)度主要分布在2.0～3.5 mm的范圍內(nèi)，但其短纖維含量明顯較多。由于玻璃纖維B直徑較小，且非常容易發(fā)生脆裂，本研究采用自制的無(wú)損分散設(shè)備進(jìn)行分散。然而即使使用了無(wú)損分散設(shè)備，也不排除其短纖維是由于制樣過程中產(chǎn)生纖維斷裂造成的。

圖1 玻璃纖維A和玻璃纖維B長(zhǎng)度分布Fig.1 Length proportion of glass fiber A and glass fiber B

本研究按照表1進(jìn)行配抄，研究2種纖維不同質(zhì)量比對(duì)濾材過濾性能的影響。濾材的定量220 g/m2，為了達(dá)到較高的松厚度，本研究使用烘缸干燥，盡可能不施加壓力。

表1 玻璃纖維A和玻璃纖維B質(zhì)量比Table 1 Mass ratio of glass fiber A and glass fiber B %

圖2為玻璃纖維A和玻璃纖維B質(zhì)量比對(duì)濾材過濾性能的影響。從圖2可以看出，提高玻璃纖維B的配抄比例，可以有效提高濾材過濾效率，但是會(huì)大幅增加濾材過濾阻力。當(dāng)玻璃纖維B的含量60%，玻璃纖維A的含量40%時(shí)，濾材過濾效率為99.991%，過濾阻力為360 Pa，可以達(dá)到劍橋?yàn)V片的使用要求，但過濾阻力臨近上限值。當(dāng)玻璃纖維B的含量55%，玻璃纖維A的含量45%時(shí)，濾材過濾效率為99.800%，過濾阻力為290 Pa，過濾效率略低于產(chǎn)品要求，但是過濾阻力遠(yuǎn)低于上限值。因此，玻璃纖維B的含量應(yīng)該在55%～60%之間。

圖2 玻璃纖維A和玻璃纖維B質(zhì)量比對(duì)濾材過濾性能的影響Fig.2 Effect of the mass ratio of glass fiber A and glass fiber B on filtration performance of filter pad

進(jìn)一步選取了玻璃纖維A與玻璃纖維B質(zhì)量比42∶58進(jìn)行配抄并測(cè)試，濾材過濾效率為99.970%，過濾阻力為330 Pa，此配比可同時(shí)滿足劍橋?yàn)V片過濾效率和過濾阻力的要求。

2.2 增強(qiáng)工藝研究

對(duì)2.1中不同玻璃纖維質(zhì)量比的濾材分別進(jìn)行抗張強(qiáng)度檢測(cè)，其結(jié)果如圖3所示。從圖3可以看出，隨著直徑較小的玻璃纖維B添加量下降，濾材的抗張強(qiáng)度呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢(shì)，但是只單純使用2種玻璃纖維進(jìn)行配抄，濾材的強(qiáng)度性能均較差，因此需要對(duì)濾材的增強(qiáng)工藝進(jìn)行研究。為確保濾材具有較高的松厚度，不能采用浸漬或者涂布的方式施加有機(jī)膠黏劑來進(jìn)行增強(qiáng)。本研究通過漿內(nèi)添加和表面噴灑膠黏劑的方式來進(jìn)行研究。

圖3 纖維質(zhì)量比對(duì)濾材抗張強(qiáng)度的影響Fig.3 Effect of the fiber mass ratio on tensile strength of filter pad

2.2.1 表面噴灑膠黏劑對(duì)濾材增強(qiáng)作用的研究

濾材定量220 g/m2，玻璃纖維A和玻璃纖維B的質(zhì)量比為42∶58，抄造工藝同2.1。選取丙烯酸乳液A、丙烯酸乳液B[7-8]和原硅酸鈉對(duì)原紙表面進(jìn)行噴灑，3種膠黏劑均分別進(jìn)行施加量為10 g/m2和15 g/m2的噴灑試驗(yàn)，其增強(qiáng)效果如圖4所示。從圖4可以看出，原硅酸鈉幾乎沒有增強(qiáng)作用，丙烯酸乳液A和丙烯酸乳液B雖然有比較明顯的增強(qiáng)作用，但當(dāng)施加量為10 g/m2時(shí)，膠黏劑的含量接近5%，已經(jīng)達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)膠黏劑含量不能超過5%的要求，而濾材抗張強(qiáng)度最優(yōu)僅為0.28 kN/m，在使用中仍然容易產(chǎn)生破損。表2為噴灑不同膠黏劑對(duì)濾材過濾效率和過濾阻力的影響，從表2可以看出，表面噴灑膠黏劑對(duì)濾材過濾效率影響較小，但會(huì)較大幅度提高濾材的過濾阻力，因此采用表面噴灑增強(qiáng)的方式具有一定的難度。

圖4 噴灑不同膠黏劑對(duì)濾材抗張強(qiáng)度的影響Fig.4 Effect of spraying different adhesive on tensile strength of filter pad

表2 噴灑不同膠黏劑對(duì)濾材過濾效率和過濾阻力的影響Table 2 Effect of spraying different adhesive on filtration efficiency and filtration resistance of filter pad

2.2.2 漿內(nèi)添加膠黏劑對(duì)濾材增強(qiáng)作用的研究進(jìn)一步對(duì)漿內(nèi)添加膠黏劑的工藝進(jìn)行了研究。制備的濾材定量220 g/m2，玻璃纖維A和玻璃纖維B的配比為42∶58，漿內(nèi)分別添加2%、4%、6%、8%（對(duì)絕干漿）的丙烯酸乳液B，抄造工藝同2.1。從圖5可以看出，隨著丙烯酸乳液B添加量的增加，濾材抗張強(qiáng)度呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。但當(dāng)添加量8%時(shí)，濾材抗張強(qiáng)度仍較小，而此時(shí)過濾阻力卻較大。但整體來看，漿內(nèi)添加丙烯酸乳液B對(duì)濾材過濾阻力的影響要小于表面噴灑的方式，漿內(nèi)增強(qiáng)的作用效果要略優(yōu)于表面噴灑。

圖5 丙烯酸乳液B添加量對(duì)濾材抗張強(qiáng)度和過濾阻力的影響Fig.5 Effect of acrylic emulsion B on tensile strength and filtration resistance of filter pad

由于單獨(dú)使用丙烯酸乳液B進(jìn)行增強(qiáng)不能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)ISO 3308對(duì)膠黏劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)不能超過5%的規(guī)定，本研究采用丙烯酸乳液B與其他增強(qiáng)劑復(fù)配進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。劍橋?yàn)V片在使用過程中需要在溶液中進(jìn)行震蕩，因此除了干強(qiáng)度外，劍橋?yàn)V片也需要一定的濕強(qiáng)度來保證其在震蕩過程中不會(huì)分散，聚酰胺環(huán)氧氯丙烷（PAE）既可提高干強(qiáng)度又可提高濕強(qiáng)度，因此實(shí)驗(yàn)選用PAE與丙烯酸乳液B進(jìn)行復(fù)配。為了減少對(duì)濾材過濾阻力的影響，丙烯酸乳液B的添加量4%，在此基礎(chǔ)上又分別添加0.1%、0.2%、0.3%和0.4%（對(duì)絕干漿）的PAE，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。從圖6可以看出，漿內(nèi)添加PAE可有效提高濾材抗張強(qiáng)度，隨著PAE添加量的增加，濾材抗張強(qiáng)度呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，當(dāng)PAE添加量為0.4%時(shí)，濾材抗張強(qiáng)度為1.01 kN/m。此工藝條件下濾材的過濾效率為99.980%，過濾阻力為345 Pa，達(dá)到煙氣濾片標(biāo)準(zhǔn)對(duì)濾材過濾性能的要求。

圖6 PAE添加量對(duì)濾材抗張強(qiáng)度影響Fig.6 Effect of PAE content on tensile strength of filter pad

2.3 濾材與進(jìn)口產(chǎn)品的對(duì)比

2.3.1 纖維原料對(duì)比

圖7為自制濾材與劍橋?yàn)V片纖維照片。如圖7所示，劍橋?yàn)V片主要含有幾種不同粗細(xì)的纖維，纖維表面平滑無(wú)痕，纖維邊緣互相平行，纖維橫斷面為圓形，這表明劍橋?yàn)V片樣品中無(wú)植物纖維，只含有化學(xué)纖維，其形態(tài)與2.2中自制濾材原材料相似。

圖7 自制濾材與劍橋?yàn)V片纖維顯微鏡圖Fig.7 Microcope pictures of fiber of homemade filter pad and Cambridge filter pad

圖8為劍橋?yàn)V片SEM圖片，從圖8可以看出，進(jìn)口產(chǎn)品主要含有2種規(guī)格的纖維，較粗的纖維直徑在3～5μm范圍內(nèi)，較細(xì)的纖維直徑在0～1μm范圍內(nèi)。由圖8（a）和圖8（c）可以明顯看出，圖8（a）中的細(xì)纖維明顯比圖8（c）中的少，造成這樣的兩面差可能是因?yàn)樵跐窦埛撍倪^程中，由于抽真空的作用，細(xì)纖維容易通過孔隙流動(dòng)到靠網(wǎng)面的那一層漿料中，成紙時(shí)就會(huì)出現(xiàn)網(wǎng)面的細(xì)纖維比毛毯面多的現(xiàn)象。從圖9自制濾材的SEM圖片中也可以觀察到相同現(xiàn)象。

圖8 劍橋?yàn)V片SEM圖Fig.8 SEM images of Cambridge filter pad

本研究中選擇的較粗的玻璃纖維直徑為10～20μm，如圖9所示，而劍橋?yàn)V片中較粗的玻璃纖維直徑僅為3～5μm。經(jīng)過測(cè)試，使用10～20μm的玻璃纖維配抄0.5～1.0μm的玻璃纖維，其過濾效率和過濾阻力也可達(dá)到性能要求，且直徑為10～20μm的玻璃纖維的價(jià)格比直徑為3～5μm的玻璃纖維更加便宜，有效降低了原材料成本。

圖9 自制濾材SEM圖Fig.9 SEM images of homemade filter pad

2.3.2 性能指標(biāo)對(duì)比

從表3可以看出，自制濾材的過濾效率和過濾阻力均達(dá)到進(jìn)口產(chǎn)品的水平，強(qiáng)度性能更優(yōu)異。

表3 樣品性能指標(biāo)Table 3 Sample properties index

3 結(jié)論

本研究通過探究纖維原料組成對(duì)卷煙煙氣成分分析用過濾材料過濾阻力和過濾效率的影響，以及紙張的增強(qiáng)工藝，制備出性能指標(biāo)達(dá)到或超過進(jìn)口產(chǎn)品水平，且成本更低的卷煙煙氣成分分析用過濾材料。

3.1 直徑為10～20μm的玻璃纖維和直徑為0.5～1.0μm的玻璃纖維的配抄比例影響濾材的過濾效率和過濾阻力，提高直徑為0.5～1.0μm的玻璃纖維配比可有效提高過濾效率，但會(huì)增加過濾阻力，當(dāng)直徑為10～20μm的玻璃纖維含量為42%，直徑為0.5～1.0μm的玻璃纖維含量58%時(shí)，制備的過濾材料過濾效率為99.970%，過濾阻力為330 Pa，均滿足過濾性能要求。

3.2 漿內(nèi)添加丙烯酸乳液和聚酰胺環(huán)氧氯丙烷復(fù)配增強(qiáng)可有效提高過濾材料的抗張強(qiáng)度，當(dāng)丙烯酸乳液添加量為4%，聚酰胺環(huán)氧氯丙烷添加量為0.4%時(shí)，制備的過濾材料抗張強(qiáng)度為1.01 kN/m，此時(shí)過濾材料過濾效率為99.980%，過濾阻力為345 Pa，滿足產(chǎn)品的使用要求。