烟用废弃滤棒中二醋酸纤维的回收与再利用初探

梁荷叶 张寅江 徐熊耀2 吴海波

1.东华大学纺织学院，上海 201620；2.浙江王金非织造布有限公司，浙江 湖州 313100

如今，人们对“吸烟与健康”话题的格外关注促使降焦减害成为烟草行业发展的必然[1]98，[2-3]。中国有着全球最多的烟民群体。据有关报道，2015年中国卷烟销售总量约为4 979.04万箱，耗用烟用丝束总量近40万t，按1.5%的成棒损耗计算，产生的烟用废弃滤棒约在6 000 t[4]15,[5]83。目前，烟草行业对烟用废弃滤棒的主要处理方式是委托焚烧和填埋，这无疑会造成巨大的能源损耗及环境污染问题[4]15。

烟用滤棒常用的纤维有二醋酸纤维和聚丙烯纤维两种。二醋酸纤维自身无毒、无味，表面积大，吸阻小，弹性和热稳定性好，且质地坚硬，对烟气中的焦油和尼古丁等有害成分截留率高，被广泛应用于中高档香烟产品中[6]480,[7]40。聚丙烯纤维大分子链上有较多的非极性基团，它们对烟气中低沸点物质的截留率较低，因此人们在抽吸过程中会体会到更多的辛辣味，影响卷烟本身醇香的口感，故多被用于低档香烟中[1]99,[7]40。也正因如此，二醋酸纤维在烟用过滤材料中的地位至今无可撼动[5]85。

三乙酸甘油酯在烟用滤棒中主要起支撑、强化、定型的作用，是烟用滤棒常用的增塑剂[4]15。三乙酸甘油酯在超声喷雾等工艺条件下被均匀地喷洒在二醋酸纤维丝束上，用量一般在10%左右[4]15,[8]32,[9]1。三乙酸甘油酯固化后，丝束会形成三维网状结构。烟用废弃滤棒几乎不被再次利用的主要原因与三乙酸甘油酯的脱除这一关键点有关[9]1。如果烟用废弃滤棒可以回收利用，则可以在一定程度上缓解烟用丝束的供需不平衡问题，这既有利于烟草行业的持续发展，又具有一定的经济效益和社会效益。沈靖轩等[8]32-35研发了一种烟用废弃滤棒回收工艺，利用该工艺回收的二醋酸纤维可以以掺配料的方式加入并进行静电纺丝。叶兆清等[9]1-2在其发明专利中提到，利用10～500 mg/L的季胺盐型表面活性剂溶液去除烟用废弃滤棒中的三乙酸甘油酯后，回收得到的二醋酸纤维溶液可作为二醋酸纤维丝束的生产原料。

本文将以醇碱溶液作为烟用废弃滤棒中三乙酸甘油酯的脱除剂，在回收得到的脱酯二醋酸纤维中掺配不同质量分数的木浆纤维，再利用湿法成网工艺制备成非织造材料用于烟用滤棒，以期解决烟草行业废弃滤棒不能有效回收再利用的难题，从而实现变废为宝。

1 试验

1.1 烟用废弃滤棒中二醋酸纤维的回收

1.1.1 原料和化学药品

烟用废弃滤棒，上海白玉兰烟草材料有限公司提供；木浆纤维，平均长度约2.000 mm，Buckeye公司提供。

NaOH固体，分析纯，片状，质量分数≥97.00%，上海阿拉丁生化科技股份有限公司提供；无水乙醇，分析纯，质量分数≥99.70%，上海阿拉丁生化科技股份有限公司提供；乙酸，分析纯，质量分数≥99.50%，上海阿拉丁生化科技股份有限公司提供。

1.1.2 仪器和设备

电热鼓风干燥箱(上海宏泰仪器设备厂)、电子天平(上海天平仪器厂)、PL4-00型瓦利打浆机(咸阳泰思特试验设备有限公司)、PL6-C型纸样抄取器(咸阳泰思特试验设备有限公司)、PL8-D型电热压榨机(咸阳泰思特试验设备有限公司)、JSM-5600 LV扫描电子显微镜(日本电子光学公司)、YG141型织物厚度测试仪(温州方圆仪器有限公司)、YG065型电子织物强力仪(宁波纺织仪器厂)、CFP-1100A 型毛细管流动孔径测定仪(美国PMI公司)。

1.1.3 回收工艺

首先，剥去烟用废弃滤棒表层的水松纸，切断滤棒，长度控制在10.000 mm左右；随后，分撕切断的滤棒，并尽量使二醋酸纤维之间有效分离；接着，将分离的二醋酸纤维集合体放入配好的脱酯溶液中，于室温环境下放置3 h；处理完成后，先用弱酸中和清洗，再用去离子水清洗并烘干，得到脱酯二醋酸纤维，其将用作湿法成网的纤维原料。

1.2 脱酯二醋酸纤维湿法成网非织造材料的制备

湿法成网所用的整套设备由咸阳泰思特试验设备有限公司提供。

先按照制备面密度60.000 g/m2的非织造材料，称取不同质量配比所需的脱酯二醋酸纤维和木浆纤维原料，再将纤维原料放入加有足量水的PL4-00型瓦利打浆机中进行机械式开松使纤维分散，然后将纤维混合浆液倒入PL6-C型纸样抄取器的脱水筒中脱水，以形成纤维网。抄造过程涉及的工艺参数如表1所示。此外，为方便纤维网快速干燥，特将从滤网上抄造下来的纤维网放置在PL8-D型电热压榨机上进行干燥处理，最后得到非织造材料。

表1 湿法成网工艺参数

1.3 性能测试

根据相关的测试标准裁剪非织造材料试样，并将试样置于恒温恒湿实验室[温度为(20±2)℃、相对湿度为(65±5)%]预调湿24 h。脱酯二醋酸纤维湿法成网非织造材料厚度测试根据GB/T 3820—1997《纺织品和纺织制品厚度的测定》标准进行，压脚面积2 000 mm2，压脚压强500 Pa，加压时间10 s，测试10次后结果取平均值；面密度测试根据GB/T 24218.1—2009《纺织品 非织造布试验方法 第1部分：单位面积质量的测定》标准进行，试样规格100.000 mm×100.000 mm，试样数量10块，结果取平均值；断裂强力和断裂伸长率的测试根据GB/T 3923.1—1997《纺织品 织物拉伸性能 第1部分：断裂强力和断裂伸长率的测定 条样法》标准进行，试样规格为100.000 mm×50.000 mm，夹持距为100.000 mm，拉伸速度为100 mm/min，试样数量5块，结果取平均值。

2 结果与分析

2.1 二醋酸纤维回收前表面形态

烟用废弃滤棒中二醋酸纤维回收前(即脱酯前)的表面形态如图1所示。二醋酸纤维截面呈Y形，比表面积大。纤维表面较光滑，但有一些溶洞，周边会出现少许浅的锯齿状纹理，这与二醋酸纤维本身生产工艺不稳定有关。这些溶洞形成了二醋酸纤维受力的弱节，是导致二醋酸纤维断裂强力和断裂伸长率较低的一个重要原因。图1(c)中纤维表面的凸起即为增塑剂三乙酸甘油酯，其是采用超声雾化方式喷洒在二醋酸纤维丝束表面的二醋酸纤维之间被无数个点状增塑剂三乙酸甘油酯粘连，若其直接用于湿法成网工艺，则较难满足抄造要求。

(a) 二醋酸纤维的Y形截面

(b) 二醋酸纤维表面的弱节

(c) 二醋酸纤维表面的凸起——三乙酸甘油酯

2.2 二醋酸纤维回收后表面形态

烟用废弃滤棒中二醋酸纤维回收后(即脱酯后)的表面形态如图2所示。脱酯后的二醋酸纤维表面出现了有规律的横向纹理，它们以波浪形同向排列，且纹理间铺叠的深浅程度较为一致。波浪形纹理增加了脱酯二醋酸纤维之间的接触面积，摩擦作用增加，抱合力增大，这有利于湿法成网非织造材料断裂强力的提高。

图2 脱酯后的二醋酸纤维表面形态

2.3 脱酯二醋酸纤维湿法成网非织造材料的性能

湿法成网工艺要求纤维原料具有一定的吸湿性，且在水中具有良好的分散性。纤维长宽比越小，则打浆时越不易出现絮聚倾向，纤维越易被打散成单纤维状态，最终形成均匀分散的纤维悬浮液。因此，在长度为10.000 mm左右的脱酯二醋酸纤维中掺配一定质量分数的木浆短纤(平均长度约2.000 mm)，可有效改善纯脱酯二醋酸纤维湿法非织造材料成网的均匀性。

不同质量配比下的湿法成网非织造材料的基本性能如表2所示。其中，湿法成网非织造材料的孔隙率是指材料的孔隙体积与总体积的比值，一般利用式(1)计算得到[10]。

(1)

式中：n——材料的孔隙率，%；

m——材料的面密度，g/m2；

ρ——纤维原料的密度，g/m3；

δ——材料的厚度，m。

表2 湿法成网非织造材料的基本性能

湿法成网制备的非织造材料用于烟用滤棒时，应具备一定的抗张强度以满足上机适应性。本文的湿法成网工艺中未添加任何黏合剂，纤维混合浆液在两面压差的作用下脱水形成纤维网，试样的强力由纤维间的彼此交错、缠结提供。由表2可以看出：4种湿法成网非织造材料试样的断裂强力小于21.0 N，断裂伸长率小于10.000%；与其他3种试样相比，木浆/脱酯二醋酸纤维(60/40)试样因拥有更多的木浆短纤填塞其中，且更多的纤维排列在受力方向上，故而断裂强力更大。

图3进一步反映了4种不同质量配比的湿法成网非织造材料的孔径分布状况。

(a) 纯脱酯二醋酸纤维试样

(b) 木浆与脱酯二醋酸纤维质量配比为15/85的试样

(c) 木浆与脱酯二醋酸纤维质量配比为40/60的试样

(d) 木浆与脱酯二醋酸纤维质量配比为60/40的试样

由表2和图3可以看出：(1)纯脱酯二醋酸纤维非织造材料的平均孔径为18.104 μm、孔隙率为72.272%，孔径主要集中在15.000～30.000 μm，孔径分布呈单峰状，相对较集中，这说明打浆时脱酯二醋酸纤维在打浆槽中分散较均匀，脱酯二醋酸纤维满足湿法成网的工艺要求。(2)当木浆纤维与脱酯二醋酸纤维的质量配比为15/85时，非织造材料的平均孔径较纯脱酯二醋酸纤维非织造材料减小了23.586%，孔隙率也提高了14.851%，孔径分布更集中，20.000 μm以下的孔径占比高达80%以上。(3)当木浆纤维与脱酯二醋酸纤维的质量配比为40/60时，非织造材料的平均孔径最小(为9.103 μm)，孔隙率最大(为83.799%)，孔径主要集中在6.000～16.000 μm，孔径分布仍呈单峰状。(4)当木浆纤维与脱酯二醋酸纤维的质量配比为60/40时，非织造材料的平均孔径相较于木浆/脱酯二醋酸纤维(40/60)非织造材料有所增加，孔隙率有所减小，孔径分布不再呈单峰状，这不利于对烟气中有害成分的过滤，非织造材料过滤性能下降。

可见，木浆纤维的掺入在一定程度上改善了纯脱酯二醋酸纤维的成网均匀性。非织造材料中纤网的孔径、孔径分布和孔隙率是决定其过滤性能优劣的关键因素。孔径越小，孔隙率越大，孔径分布越集中，则材料的过滤性能越好。木浆纤维长度较短，因此，在纤维混合浆液成网时，一部分木浆纤维以填料的方式散落在脱酯二醋酸纤维彼此交缠、扭结形成的孔隙中(图4)，故木浆纤维的少量加入可以较明显地减小纤网孔径，提高孔隙率；当木浆纤维的质量分数超过一定数值时，纤网中的孔隙被更多的木浆短纤填塞，孔隙率出现下降，如图3(d)中，木浆/脱酯二醋酸纤维(60/40)非织造材料的孔径分布不再呈单峰状，且分布较分散。

图4 木浆纤维对非织造材料中孔隙的填充

因此，综合比较后确定，木浆/脱酯二醋酸纤维(40/60)非织造材料适合用作烟用滤棒的材料，其可满足过滤要求。

3 结论

(1) 烟用废弃滤棒中二醋酸纤维经脱酯后，纤维表面出现有规律的横向纹理，并以波浪形同向排列。脱酯二醋酸纤维具有一定的吸湿性，且在纤维混合浆液中具有较好的分散性，满足湿法成网工艺要求。

(2) 制备的纯脱酯二醋酸纤维非织造材料的孔径分布呈单峰状，平均孔径为18.104 μm，孔隙率为72.272%，断裂强力为6.8 N，断裂伸长率为8.481%。

(3) 木浆纤维的掺入可改善脱酯二醋酸纤维非织造材料的孔隙结构，且当木浆纤维/脱酯二醋酸纤维的质量配比为40/60时，平均孔径最小，孔隙率最大，断裂强力为8.0 N，断裂伸长率为3.860%，更适合用作烟用滤棒的材料，满足过滤要求。