一种卷烟用可降解纳米泡沫滤材及其制备方法与

本发明涉及新材料，具体涉及卷烟用滤材，更具体的涉及一种卷烟用可降解纳米泡沫滤材及其制备方法。背景技术：1、目前卷烟滤棒的材料主要为醋酸纤维和聚丙烯纤维，以醋酸纤维和聚丙烯纤维为基质制备成的卷烟滤棒主要有三个方面的缺陷，第一个方面为过滤效率低，由于醋酸纤维和聚丙烯纤维仅限于物理吸附作用，仅对焦油及固相物质有一定吸附截留作用，而对于气相类有害物质几乎没有吸附截留作用，导致对香烟燃烧产生的物质过滤效率低；第二个方面为醋酸纤维和聚丙烯纤维在加工过程中会带入新的有毒物质形成二次污染，醋酸纤维和聚丙烯纤维本身无毒无害，但在加工成卷烟滤棒的过程中会添加各种粘结剂和稀释剂，醋酸纤维和聚丙烯纤维成丝过程中还会残留有塑性微粒，造成二次污染；第三个方面为醋酸纤维和聚丙烯纤维不可降解造成白色污染。因此开发具有高效吸附率、更安全、可降解的卷烟滤棒材料成为业内共识。如专利公开号为cn115886324a的发明中公开了一种可降解烟用滤棒的制备方法，该专利中采用可降解海藻酸钠作为醋酸纤维粘结剂，提高了醋酸纤维的降解率，但少量可降解海藻酸钠的加入不能从根本上改变以醋酸纤维为主的卷烟滤材的可降解性。如专利公告号为cn105639723b的发明中公开了一种可生物降解滤嘴吸附棒及其制备方法，该专利中采用醋酸纤维和聚丁二酸丁二醇酯在160~190℃下熔融共混，生产可降解滤嘴吸附棒，也只是对醋酸纤维进行改性，不能实现降解。专利公开号为cn 115005497a的发明中公开了一种可降解香烟滤棒母料和可降解香烟滤棒，该发明中的香烟滤棒采用二醋酸纤维作为基材，添加多孔吸附红球藻-二氧化钛可降解母料，此类方法属于复合改善型，虽增强了材料的吸附性和降解能力，但仍都不能从根本上解决香烟滤棒吸附效率低和不可降解的问题。科研人员也对可降解的纯生物基材料进行了一些探索，如专利公开号为cn103103633a的发明中公开了一种改性的聚乳酸烟用丝束滤棒及制备方法，也属于改善型材料，改变了滤棒丝束材质，但解决不了丝束类滤材不能吸附纳米级烟气微粒的缺陷。如专利公开号为cn115652468a的发明中公开了一种聚乳酸复合卷烟丝束及其制备方法和应用，通过在聚乳酸纤维基材上复合纳米纤维，对纳米结构增强吸附性进行了有意义的尝试。但其纳米纤维的直径只能达到600-900nm，对于纳米直径在0.7nm-300nm，危害较大的亚硝胺，多环芳烃，一氧化碳等烟气类微粒，毫无吸附作用。2、因此要根本上解决滤材的降解和吸附问题，只能从材质的完全取代和材质的纳米孔径两个方面入手，发明一种全生物质可降解并且本身带有纳米孔径的泡沫滤材来替代现有的卷烟滤棒材料。技术实现思路1、本发明提供了一种以生物质木质纤维和具有纳米结构的水凝胶为主要基质的新型卷烟滤材，该滤材通过物理和化学两种吸附机制对烟气中的有害物质进行吸附，具有较高的吸附效率，加工过程中采用环保材料进行加工，避免了二次污染，木质纤维和水凝胶为可降解材料，减少了香烟滤材对环境的污染。2、本发明的第一个方面提供了一种卷烟用可降解纳米泡沫滤材，至少包括木质纤维和水凝胶，所述木质纤维与水凝胶的质量比为4~3:1，所述水凝胶是由可降解的亲水聚合物遇水形成的，所述水凝胶的溶质浓度为1~10wt%。3、所述木质纤维与水凝胶的质量比为4~3:1时，木质纤维与水凝胶之间能形成较好的三维网络结构。4、作为一种优选的技术方案，所述木质纤维在浓度为0.5~0.8mol/l、温度为70~80℃的硼酸溶液中浸泡1~3h来强化改性。5、所述木质纤维应先用硼酸进行耐水、增韧、强化处理，以防止木质纤维收缩变形。6、作为一种优选的技术方案，所述木质纤维选自阔叶林纤维、针叶林纤维、秸秆纤维、竹质纤维、甘蔗渣纤维和原生木浆纤维中的至少一种。7、作为一种更优选的技术方案，所述木质纤维选自阔叶林纤维或原生木浆纤维中的至少一种。8、作为卷烟滤材，因含有较高天然色素的木质素会对滤材外观和口感产生不良影响，因而优选木质素含量低，韧性纤维含量较高的阔叶林木质纤维或原生木浆纤维。9、作为一种优选的技术方案，所述亲水聚合物选自海藻酸盐、纤维素、壳聚糖、明胶、蚕丝蛋白和胶原蛋白中的至少一种。10、作为一种优选的技术方案，所述木质纤维和水凝胶的混合物中加入硼酸作为交联固化剂，所述硼酸的加入量为水凝胶质量的0.2~1wt%。11、本技术方案中的水凝胶交联固化剂为硼酸，整体技术方案较少添加非生物质元素，硼酸既是交联固化剂，也是抗菌防腐剂。12、作为一种优选的技术方案，所述木质纤维和水凝胶形成的泡沫滤材中贯通有纳米孔隙，所述纳米孔隙的范围在0.5~2000nm。13、不同纳米孔径吸附不同粒径的烟气微粒。研究表明，卷烟主流烟气每立方厘米含有10 9~10 10次方个颗粒，粒子直径在0.5nm~1000nm之间，其中粒径在320nm~1000nm占70%，320nm以下占20%，1000nm以上占10%。滤材孔径大小通过调控交联固化剂和木质纤维含量得以实现，交联固化剂和木质纤维含量越多，滤材孔径越小，反之滤材孔径越大，从而完成对不同大小烟气颗粒的吸附。14、通过不同水凝胶单体基质的选择和孔隙率、孔径的大小调控，来实现对不同烟气微粒的选择性吸附。已知的卷烟烟气中含有4800多种化合物，其中对人体危害最大的是亚硝胺和多环芳烃，各种纤维类滤材对其吸附率极低，发明人发现本方案中的各类水凝胶纳米孔径控制在0.7nm~500nm范围，可吸附68%的亚硝胺和多环芳烃。水凝胶单体的种类也有吸附的选择性：15、a.壳聚糖单体基质凝胶，因其侧链带有阳离子氨基，选择性吸附一氧化碳，重金属和大部分焦油和刺激性酸败味戊酸，而不吸附烟碱，茄酮等风味物质；16、b.纤维素单体基质凝胶，因其含有羟基和羧基官能基团，选择性吸附重金属，焦油和烟碱；17、c.海藻酸单体基质凝胶，含有大量羧基和羟基，极性极强，选择性吸附焦油，烟碱和一氧化碳。18、本发明的第二个方面提供了一种制备上述的卷烟用可降解纳米泡沫滤材的制备方法，至少包括以下步骤：19、通过亲水聚合物配置水凝胶预聚体；20、通过硼酸对木质纤维进行强化改性；21、将水凝胶预聚体和改性后的木质纤维进行混合，得到混合料浆；22、将混合料浆输入纺丝组件进行纺丝，通过硼酸对纺制的纤维丝进行交联固化；23、通过卷烟滤棒成型机将交联固化的纤维丝制成滤棒；24、在小于60℃的温度环境下对（5）中的滤棒进行干燥即得。25、作为一种优选的技术方案，上述步骤（4）具体为：80℃加热条件下配制浓度为5~7wt%的硼酸溶液，将制得的纤维丝浸浴于硼酸溶液中，保持80℃，0.5~1h。26、作为一种优选的技术方案，所述制备上述的卷烟用可降解纳米泡沫滤材的制备方法，至少包括以下步骤：27、通过亲水聚合物配置水凝胶预聚体溶液，按质量份称取1~10份亲水聚合物单体加入100份水中加热搅拌，温控60~80℃，时控1~3h，至分散均匀呈流动凝胶状；28、通过硼酸对木质纤维进行强化改性，配制硼酸强化增韧剂，取硼酸和水配制摩尔浓度为0.5~0.8mol/l的硼酸溶液100份，按质量份称取木质纤维2~10份，加入硼酸溶液中加热搅拌，温控60~80℃，时控0.5~3h；29、按照质量比为4~3:1分别称取改性后的木质纤维和水凝胶预聚体加热搅拌混合均匀，温控40~80℃，时控1~5h，形成半凝胶状态，得到混合料浆；30、将混合料浆输入纺丝组件进行纺丝，通过硼酸对纺制的纤维丝进行交联固化；31、通过卷烟滤棒成型机将交联固化的丝制成滤棒；32、在小于60℃的温度环境下对（5）中的滤棒进行干燥即得。33、作为一种优选的技术方案，所述的卷烟用可降解纳米泡沫滤材的制备方法，所述步骤（4）具体为：80℃加热条件下配制浓度为5~7wt%的硼酸溶液，将制得的纤维丝浸浴于硼酸溶液中，保持80℃，0.5~1h。34、本技术方案中成型方式为原位固化成型，即将混合料浆输入纺丝组件，经喷丝板喷成丝状，交联固化后，通过kdf-3或kdf-4等滤棒成型机制成滤棒。35、本发明的第三个方面提供了另一种制备上述的卷烟用可降解纳米泡沫滤材的制备方法，至少包括以下步骤：36、通过亲水聚合物配置水凝胶预聚体；37、通过硼酸对木质纤维进行强化改性；38、将水凝胶预聚体和改性后的木质纤维进行混合，得到混合料浆；39、通过硼酸对混合料浆进行交联固化；40、将交联固化的料浆注入滤棒模具，制成滤棒；41、在小于60℃的温度环境下对（5）中的滤棒进行干燥即得。42、作为一种优选的技术方案，所述制备上述的卷烟用可降解纳米泡沫滤材的制备方法，至少包括以下步骤：43、通过亲水聚合物配置水凝胶预聚体，按质量份称取1~10份亲水聚合物单体加入100份水中加热搅拌，温控60~80℃，时控1~3h，至分散均匀呈流动凝胶状；44、通过硼酸对木质纤维进行强化改性，配制硼酸强化增韧剂，取硼酸和水配制摩尔浓度为0.5~0.8mol/l的硼酸溶液100份，按质量份称取木质纤维2~10份，加入硼酸溶液中加热搅拌，温控60~80℃，时控0.5~3h；45、按照质量比为4~3:1分别称取改性后的木质纤维和水凝胶预聚体加热搅拌混合均匀，温控40~80℃，时控1~5h，形成半凝胶状态，得到混合料浆；46、通过硼酸对混合料浆进行交联固化；47、将交联固化的料浆注入滤棒模具，制成滤棒；48、在小于60℃的温度环境下对（5）中的滤棒进行干燥即得。49、作为一种优选的技术方案，所述干燥方式为脱水干燥，常温干燥8~24h或加热干燥，温度控制为25~60℃，干燥时间为8~24h。50、本技术方案中不采用冷冻干燥或超临界干燥，工艺简单。51、作为一种优选的技术方案，上步骤（4）具体为：室温条件下配制浓度为5wt%的硼酸溶液，按照亲水聚合物与硼酸的质量比为100:0.1~0.5加入到步骤（3）的混合料浆中，搅拌均匀后在40~70℃的条件下搅拌30~50min。52、木质纤维浸润于水凝胶中，木质纤维与水凝胶之间形成缠绕互穿三维网络结构，采用物理和化学交联原位固化成型，经脱水干燥后，水凝胶在去溶胀过程中形成分散丝状结构，与水相分离生成的空穴形成贯通的纳米孔隙泡沫滤材。该滤材可实现选择性吸附功能，选择不同的水凝胶单体和控制交联固化程度实现孔隙调控，实现对烟气中烟碱、茄酮、巨豆三烯酮等风味物质少量或不吸附，而对于焦油、亚硝胺、一氧化碳，重金属等有害物质保持较高的吸附率，从而实现选择性吸附功能。53、有益效果54、本技术方案中选择全生物质木质纤维与具有纳米结构的水凝胶作为滤材基质，实现材料的可完全降解，利用材料的极性官能基团和纳米结构，以物理、化学双途径实现对有害微粒的高效吸附，同时保留香烟的原有口味。木质纤维本身具有天然的纳米管状结构，表现出极强的吸附能力，与其他材料结合，具备强劲的交联织补功能，可作为泡沫滤材的骨架，保证泡沫滤材的强度，水凝胶作为一种绿色多功能材料在医疗、生命工程、智能电子、能源及环保领域有着广泛应用，其独特的三维网络纳米结构可形成分子筛实现纳米过滤，与木质纤维结合，缠绕互穿，增效互补，是一种强韧稳定的高效滤材。通过对木质纤维和水凝胶进行硼酸处理，进一步提高了三维网状结构的韧性强度和耐水性。本技术方案中的材料更加安全、环保，在加工过程中未添加有害添加剂，避免给材料造成二次污染。