加熱不燃燒型電子煙煙氣成分分析用過濾材料的研制

玻璃纖維A，直徑10~20 μm，長度3~6 mm，泰山玻璃纖維有限公司；玻璃纖維B，直徑0.5~1.0 μm，長度5~10 mm，榆林天盛緣玻璃纖維有限公司；棉漿，山東銀鷹股份有限公司；維尼綸，長度5 mm，中國石化集團四川維尼綸廠；絲光漿，自制；改性熱熔滌綸纖維，2.0 dtex，長度3 mm，帝人株式會社；雙組份纖維，2.0 dtex，長度3 mm，帝人株式會社；漂白硫酸鹽針葉木漿，北京中基明星貿易有限公司。

濕強劑PAE，固含量10.4%，石家莊冀亨助劑有限公司；丙烯酸乳液，自制。

紙漿標準解離器（03，L&W公司）；PALAS濾料測試系統（MFP3000，德國PALAS公司）；鼓式干燥器（E-100，美國AMC公司）；臥式拉力機（ZB-WL30，杭州紙邦自動化技術有限公司）；紙頁成型器（中國制漿造紙研究院有限公司）。

本研究首先探討了針葉木化學漿（以下簡稱木漿）、絲光漿、棉漿和維尼綸4種纖維對濾材吸水性的影響。由于使用玻璃纖維和其他纖維進行混抄，難以達到濾材要求的過濾性能，因此設計了雙層復合的結構，使用玻璃纖維抄造過濾層，其他纖維抄造吸水層。過濾層定量120 g/m²，采用玻璃纖維A和玻璃纖維B混抄，添加增強助劑PAE和丙烯酸乳液來提高過濾層的強度。吸水層定量設計為100 g/m²，PAE添加量為1%。

2.1.1　纖維原料對濾材過濾效率和過濾阻力的影響

圖2和圖3分別為纖維原料對濾材過濾效率和過濾阻力的影響。從圖2和圖3中可以看出，采用木漿、絲光漿、棉漿和維尼綸分別作為吸水層復合玻璃纖維過濾層后，所制濾材均能達到過濾效率（≥99.9%）的要求。使用木漿和棉漿作為吸水層大幅提高了濾材的過濾阻力，遠超過過濾阻力≤360 Pa的要求；而使用絲光漿和維尼綸作為吸水層，濾材過濾阻力≤360 Pa，可以滿足要求。

圖2  纖維原料對過濾效率的影響

Fig. 2  Effect of fiber types on filtration efficiency

注   空白為市售煙氣過濾用過濾材料（以下同）。

圖3  纖維原料對過濾阻力的影響

Fig. 3  Effect of fiber types on filtration resistance

2.1.2　纖維原料對吸水量的影響

圖4為纖維原料對濾材吸水量的影響。從圖4可以看出，與市售煙氣過濾用過濾材料相比，使用木漿作為吸水層復合過濾層，反而降低了濾材的吸水量，而使用絲光漿、棉漿和維尼綸作為吸水層復合過濾層雖有一定的改善作用，但吸水量仍然很小。

圖4  纖維原料對吸水量的影響

Fig. 4  Effect of fiber types on water absorption

由以上分析可知，使用棉漿和木漿作為吸水層會大幅提高濾材的過濾阻力，因此選擇絲光漿和維尼綸作為濾材吸水層進一步研究。

2.1中使用絲光漿作為吸水層時存在強度較差、濾材掉毛的問題，為提高絲光漿吸水層的強度，進行如表1所示的工藝改進。過濾層工藝同2.1，吸水層定量為100 g/m²。

圖5為絲光漿吸水層工藝對濾材抗張強度性能的影響。從圖5可以看出，絲光漿中添加增強助劑丙烯酸乳液對濾材抗張強度有一定的改善作用，但濾材表面仍有明顯的掉毛現象；絲光漿中混抄棉漿可以大幅提高濾材抗張強度，濾材表面沒有掉毛現象。

圖5  絲光漿吸水層工藝對抗張強度的影響

Fig. 5  Effect of water adsorption layer technology on tensile strength

圖6~圖8分別為絲光漿吸水層工藝對濾材過濾效率、過濾阻力和吸水量的影響。從圖6~圖8可以看出，吸水層工藝2、3、4增強方案對過濾效率的影響均不大，且過濾效率均超過了99.9%；然而，使用棉漿配抄會增加濾材的過濾阻力，當配抄比例為20%時，過濾阻力為357 Pa，接近過濾阻力的上限值。從吸水量來看，吸水層工藝2、3、4對吸水量的影響均較小。

圖6  絲光漿吸水層工藝對過濾效率的影響

Fig. 6  Effect of water adsorption layer technology on filtration efficiency

圖7  絲光漿吸水層工藝對過濾阻力的影響

Fig. 7  Effect of water adsorption layer technology on filtration resistance

圖8  絲光漿吸水層工藝對吸水量的影響

Fig. 8  Effect of water adsorption layer technology on water absorption

維尼綸抄造時與絲光漿存在同樣的問題，所制濾材強度較差、有掉毛現象，因此也需進一步對維尼綸吸水層的工藝進行優化。過濾層制備工藝同2.1，維尼綸吸水層定量為100 g/m²，抄造工藝如表2所示。

圖9為維尼綸吸水層工藝對濾材抗張強度的影響。與絲光漿類似，維尼綸中添加增強助劑丙烯酸乳液對于改善濾材抗張強度的作用也較小，濾材仍存在掉毛現象，而添加棉漿纖維不僅可以有效提高濾材抗張強度，也可消除濾材的掉毛現象。

圖9  維尼綸吸水層工藝對濾材抗張強度的影響

Fig. 9  Effect of water adsorption layer technology on tensile strength

圖10~圖11為維尼綸吸水層工藝對濾材過濾性能的影響。從圖10可以看出，吸水層工藝6、7、8都可以保證濾材的過濾效率達到99.9%以上。從圖11可以看出，雖然與絲光漿類似，配抄棉漿會提高濾材的過濾阻力，但當棉漿的配抄比例同為20%時，絲光漿制備濾材過濾阻力為357 Pa，而維尼綸制備濾材過濾阻力僅為335 Pa。從吸水量來看，維尼綸作為吸水層使用工藝6、7、8方案增強差異也較小，吸水量一直維持在1 g左右。

圖10  維尼綸吸水層工藝對過濾效率的影響

Fig. 10  Effect of water adsorption layer technology on filtration efficiency

圖11  維尼綸吸水層工藝對過濾阻力的影響

Fig. 11  Effect of water adsorption layer technology on filtration resistance

圖12  維尼綸吸水層工藝對吸水量的影響

Fig. 12  Effect of water adsorption layer technology on water absorption

從2.1~2.3的實驗結果可看出，不論使用哪種纖維作為吸水層，濾材的吸水量均相差不多，這可能是因為該濾材本身是比較蓬松的孔隙結構，其吸水性能主要取決于濾材的孔隙結構而非濾材本身，而當定量和松厚度相差不多時，其內部的孔隙也相差不多，吸水量也處于同一個水平。因此要提高濾材的吸水能力，就要盡可能地提高濾材的孔隙，如提高定量或松厚度。但是由于濾材本身松厚度就已經很高，因此擬采用進一步提高濾材定量來增加濾材中的孔隙。

然而，提高濾材的定量必然會提高濾材的過濾阻力，因此要設計一種中和的方案，能夠平衡過濾效率、過濾阻力和吸水量。從上述研究可以發現，當使用維尼綸作為吸水層時，在滿足過濾效率的前提下，過濾阻力最小。因此選用維尼綸纖維作為吸水層對濾材的吸水量進行進一步的優化，即吸水層為85%維尼綸配抄15%的棉漿，具體定量方案如表3所示。

圖13~圖15分別為不同吸水層定量對濾材吸水量、過濾效率和過濾阻力的影響。從圖13可以看出，隨著濾材吸水層定量的增長，吸水量明顯增加。當單獨過濾層定量為320 g/m²時，與吸水層和過濾層復合濾材9定量為320 g/m²時的吸水量幾乎相同，由此可佐證，材料的吸水量與材料的定量密切相關。

圖13  不同吸水層定量對濾材吸水量的影響

Fig. 13  Effect of basic weight of the water adsorption layer on water absorption

圖14  不同吸水層定量對過濾效率的影響

Fig. 14  Effect of basic weight of the water adsorption layer on filtration efficiency

圖15  不同吸水層定量對過濾阻力的影響

Fig. 15  Effect of basic weight of the water adsorption layer on filtration resistance

然而，單獨提高過濾層的定量時，過濾阻力會大幅上漲，當過濾層定量為320 g/m²，過濾阻力超過600 Pa；而采用雙層復合工藝，吸水層定量的增長對過濾阻力影響較小，當復合濾材11的定量為520 g/m²時，過濾阻力僅為342 Pa，此時的過濾效率為99.992%，吸水量為2.70 g。不僅過濾效率和過濾阻力能滿足使用要求，而且吸水量是目前市售煙氣過濾材料的近3倍。

將本研究試制的樣品（2.4中的方案10）進行加熱不燃燒型電子煙主流煙氣的測試，測試結果表明，吸水量指標為市售煙氣過濾材料的2倍左右，但煙堿指標為市售煙氣過濾材料的60%左右，試制的樣品中可能存在某些成分影響煙堿的測試結果。

經分析，可能是因為吸水層中的棉漿不像其他化學纖維一樣具有光滑的表面，會有部分煙堿被棉漿吸附，由此導致煙堿的測試結果偏低。因此本研究擬對其他可作為吸水層的增強材料進行進一步研究。方案設計如表4所示，其中過濾層定量均為120 g/m²，工藝同2.1，吸水層定量均為300 g/m²。

由于滌綸纖維和雙組分纖維都具有熱熔性，能在濾材干燥過程中對維尼綸纖維產生黏接作用，因此使用滌綸纖維或者雙組分纖維混抄維尼綸都起到了很好的增強作用，材料表面沒有掉毛現象。圖16和圖17分別為吸水層不同增強材料對濾材過濾效率和過濾阻力的影響。從過濾效率來看，這幾種方案均能滿足過濾效率（≥99.9%）的要求。從過濾阻力來看，添加玻璃纖維制備的濾材12，過濾阻力達到657 Pa，遠遠大于對濾材過濾阻力（≤360 Pa）的要求；添加雙組分纖維雖然對濾材過濾阻力影響較玻璃纖維小，但過濾阻力也超過了要求；添加滌綸纖維對過濾阻力影響最小，當添加量為15%和40%時，濾材過濾阻力均能滿足要求。但當滌綸的添加量為40%時，濾材收縮特別嚴重，因此滌綸的添加量15%較合適。

圖16  不同增強材料對濾材過濾效率的影響

Fig. 16  Effect of different reinforced fibers on filtration efficiency

圖17  不同增強材料對濾材過濾阻力的影響

Fig. 17  Effect of different reinforced fibers on filtration resistance

由2.4的分析可知，濾材的吸水量主要由濾材的定量決定，更換增強纖維滌綸后濾材的吸水量依然保持在1.94 g左右。使用2.5中的方案13制備的濾材進行加熱不燃燒型電子煙煙氣檢測時，過濾效率和過濾阻力均能滿足測試要求，吸水量明顯提高，且不影響煙堿含量的測定。