电子烟滤芯材料研究进展

阚 佩,薛 涛,龙 飞,赵天驰

(西安工程大学 纺织科学与工程学院,陕西 西安 710048)

电子烟[1]是一种以可充电锂聚合物电池供电驱动的雾化器,主要通过加热电子油舱中的烟液以气体的方式吸入人体内,与传统香烟有着相类似的烟雾与感觉。电子烟烟液成分中不含焦油,能够解除吸烟引起癌症、慢阻肺等危险因素,但是电子烟含有尼古丁,人类吸烟成瘾最主要的就是由于对尼古丁的成瘾性,所以在吸食电子烟的时候,并不减少吸入尼古丁的含量,因而对烟草的依赖没有减低。所以目前来看吸电子烟是否能戒烟在国际上还有争论,但是从它的机理看,可以减少吸香烟造成的危害。因此,对电子烟滤芯材料进行优化与探索,减少其对人体的危害很有必要。

1 滤芯新材料

常用的烟嘴过滤材料是白色纳米过滤海绵,主要用于电子烟及各种烟嘴,起到对烟、焦油等的过滤作用。探讨将新型材料用于电子烟内部存放电子烟液的部分,将烟液吸附于其中,在能够承受高温环境的同时在烟液的蒸发过程中起到一定的过滤作用,减少危害,图1为滤芯材料实物图。

图1 滤芯新材料实物图

1.1 芳纶

芳纶(聚苯二甲酰苯二胺)是一种集高强度、耐高温、耐酸碱、绝缘和抗老化等诸多优良性能于一体的新型高科技合成纤维,广泛应用于复合材料、特种防护服装、电子设备等相关领域[2]。间位芳纶(聚间苯二甲酰间苯二胺)是芳纶的一种,具有优异的阻燃性和耐热性。当温度低于205 ℃时,耐热性可多次使用,当温度高于205 ℃时,仍能保证高强度,同时间位芳纶的高分解温度能保证其不会在高温条件下发生熔融现象。此外,间位芳纶纤维还具有优异的耐大多数化学品性能,可耐高浓度无机酸,室温下耐碱性良好。其具有的优点可以保证通过针刺法加固的纤维间相互缠结抱合形成的滤料蓬松且具有大量微孔的结构能够用于电子烟滤芯的材料,满足高温同时起到过滤作用。

1.2 P84聚酰亚胺纤维

P84聚酰亚胺纤维是一种阻燃、耐热稳定的呈自然金黄色的纤维材料。P84纤维特性因其纤维的细度而显著,且因不规则的纤维截面结构为异形(叶型)使得其纤维表面积达到最大,过滤性能优良[3]。同时,P84聚酰亚胺纤维耐热性能稳定,由其制备的过滤材料最高耐热温度可达260 ℃且其机械性能不会发生变化,主要用于沥青拌和、水泥窑、干燥、燃烧、冶炼、燃煤锅炉、垃圾焚烧等烟气净化,广泛应用于排放浓度较高的工艺中,也可与其他纤维材料混纺,充分发挥各纤维的作用。但P84 相比于同类纤维价格昂贵且不耐水解。

1.3 聚丙烯

聚丙烯是由丙烯聚合而制得的呈白色透明蜡状的热塑性树脂,表现为无毒、无臭、无味的乳白色高结晶,重量较轻。聚丙烯主要用于生产熔喷布,也是口罩最核心的来源,纤维直径可以达到1～5μm,具有独特的毛细结构,孔隙多、结构蓬松、抗皱性好,增加了单位面积纤维的数量和表面积,使熔喷布具有良好的过滤、屏蔽、隔热和吸油性能,可用于空气和液体过滤材料、隔离材料、口罩材料、保暖材料、吸油材料等领域[4]。

1.4 醋酯纤维

醋酯纤维是一种由纤维素醋酸酯纺制成的人造纤维,包括二型醋酯纤维和三醋酯纤维2种[5]。纤维中的纤维素环上的大部分或全部羟基都是乙酰化的,醋酯纤维的纵向为附有条纹的光滑圆柱形,横断面为椭圆形。由于结晶度和侧序较低的原因导致醋酸纤维的断裂强度较差,湿态断裂强度更差,但具有较高的断裂伸长率,弹性回复率远好于黏胶纤维,同时具有良好的热稳定性、吸湿性、透气性等诸多优点,深受服装设计行业的青睐。

1.5 聚四氟乙烯滤料

聚四氟乙烯纤维(PTFE)是一种人工合成纤维。合成方法是以聚四氟乙烯为原料,经纺丝或制成薄膜后切割或原纤化而制得。在分子结构上,氟原子的体积大于氢原子,整个碳-碳主链因氟碳键的强结合力保持稳定,碳-碳主链的稳定性使得聚四氟乙烯纤维与其他合成纤维相比具有优异的化学稳定性和更好的耐腐蚀性,同时具有比较高的使用温度。它还具有良好的耐候性和抗弯曲性,但染色性、导热性和耐磨性较差,热膨胀系数大,易产生静电,主要用作高温粉尘滤袋、过滤气体或液体的高腐蚀性滤料[6]、填料、密封带、泵和阀门的自润滑轴承、制碱用全氟离子交换膜加固、火箭发射台篷布等。

2 制备工艺

2.1 熔喷法

熔喷法是一种制备超细纤维非织造布的加工方法,与静电纺丝原理有些类似,通过高速热气流快速拉伸和固化新挤出的聚合物熔体[7],工艺流程简洁,可直接将纺丝纺成无纺布,工艺原理如图2 所示。240 ℃温度下,聚合物母料在挤出机中变成熔融状态,熔体通过计量泵到达熔喷模头,计量泵测量到喷嘴的熔体流量输出。喷丝头为一排毛细管,间距小于1 mm,直径0.2～0.4 mm。毛细管两侧为进气口,加250～300 ℃的压缩空气,压缩空气的头端作用于刚形成的从喷丝头挤出的聚合物,以高于声速(550 m/s)的气流将热长丝牵伸至直径1～10μm,根据其物理特性将这种网称为超细纤维网。当热空气向下流动时,它与周围空气混合以冷却纤维,最终凝固成短而细的纤维,同时能将纤维分布于三维立体结构中,主要用于聚丙烯/聚乳酸类非织造材料的制备[8-10]。

图2 熔喷法工作原理

2.2 静电纺丝法

静电纺丝[11]是聚合物流体静电雾化的一种特殊形式,其原理主要是将特殊的聚合物溶液或熔体置于电场下,在电场作用下进行喷射纺丝的纤维制造工艺。通过雾化分离的材料是非常小的聚合物射流而不是小液滴,可以实现长距离流动,最终凝固成纤维,具有孔隙小、孔隙率高、比表面积大等优点,广泛用于环境保护、智能纺织品及能量转换等领域,原理如图3所示。在电场的作用下,针尖处的液滴由球形变为圆锥形,并从圆锥形尖端延伸得到纤维长丝,一般纳米级直径的聚合物长丝均可以通过静电纺丝方法制得。耐高温的聚酰亚胺纤维类过滤材料一般都采用此方法以及与其他工艺相结合,制备符合性能的过滤材料[12-13]。

图3 静电纺丝工作原理

2.3 针刺法

非织造布针刺技术[14]是通过针在纤维网中的往复穿刺,形成具有一定面积密度和强度的非织造材料,实现纤维网的机械增强,在非织造生产线中占据了约30%的比例。工艺原理如图4所示,主要利用三角截面棱边带倒钩的刺针对纤网进行反复穿刺。纤维网表面和局部内层的纤维随着倒钩穿过纤维网被压入纤维网,松弛的纤维网会因纤维之间的摩擦作用而被压缩,插入的纤维束不会随着针的抽出而离开,而是保留在纤维网中。通过这种方式,纤维网上会存在越来越多的纤维束,纤维网中的纤维相互缠绕,纤维网的整体强度慢慢增强,最终形成具有一定强度和厚度的针刺非织造布。针刺非织造布具有良好的透气性、过滤性和机械性能,广泛用于制造工业和家用非织造布,如过滤材料、建筑防水材料、纸毯等。中原工学院赵博测试了聚丙烯非织造针刺滤料的性能,试验结果表明,聚丙烯非织造针刺过滤材料具有独特的性能,适合开发各种功能性过滤产品,应用广泛[15]。

图4 针刺法原理示意图

3 结束语

电子烟在一定程度上所含危害物质比香烟要少,不产生异味,在满足吸烟者对尼古丁需求的同时不产生有毒烟雾,减少了对环境污染及身边人吸二手烟的危害。当前,用户的真实需求使得电子烟有足够的市场潜力,同时,政府的监管实际上在行业中起着规范作用,并承认行业的发展。从这2个角度看,电子烟行业肯定会有长远发展。因此,对电子烟滤芯材料的改良,减少有害物质的吸入具有一定意义。一个行业的前景不仅取决于世界的变化,还取决于每个行业将如何发展。如果电子烟行业的人们能够进行改革创新,大大降低电子烟的危害,找到新的出路,也许电子烟行业的前景会更加光明!