卷烟烟气成分分析用过滤材料的研制

李 政 万 莹 杜 齐 刘 文，* 杨 扬 毛宗久

（1.中国制浆造纸研究院有限公司，北京，100102；2.制浆造纸国家工程实验室，北京，100102）

吸烟与健康是世界范围关注的重大课题[1]。在吸烟的过程中，产生的烟气含有一系列有害物质，如烟气中特有的N-亚硝胺类、苯并[a]芘等多环芳烃化合物、自由基等可能造成人体细胞的损伤，引发许多疾病[2]。为了分析烟气中有害物质的成分及含量，控制卷烟质量，进而降低吸烟对人体的危害，烟草行业设计了吸烟机来模拟吸烟过程[3]，捕集烟气中的有害成分。吸烟机中用来捕集烟气的装置被称为捕集器，捕集器中用来捕集烟气有害成分的核心组件为一种纸基过滤材料，行业通称为剑桥滤片（Cambridge filter pad[4]）。烟气中大多数有害物质的分析都是通过分析剑桥滤片上截留的主流烟气有害成分来实现的。因此卷烟烟气成分分析用过滤材料的研发和制备对于促进我国烟草行业的健康发展，改善吸烟对人们的危害具有重要的现实意义。

卷烟烟气的研究始于二十世纪五十年代末、六十年代初[1]，剑桥滤片曾是Whatman（沃特曼）公司专为分析香烟中烟碱和焦油含量所设计和生产的产品，经过近几十年的发展，剑桥滤片产品仍然被国外市场垄断，目前国内烟草行业检验机构所使用的剑桥滤片均为进口产品，国内未见相关的研究报道。

ISO 3308（或GB/T 16450）常规分析用吸烟机定义和标准条件中规定，滤片材料至少应截留99.9%的具有140 mm/s线速度、直径大于或等于0.3μm的邻苯二甲酸二辛脂气溶胶，在此气流速下滤片系统的压降不应超过900 Pa，聚丙烯酸酯黏合剂质量分数不应超过5%。滤片系统应无损失地定量截留卷烟燃烧产生的主流烟气中的所有粒相物质，且要求在有机溶剂苯、乙醇、异丙醇中浸泡30 min不分散，还要求其自身成分不影响被检物质在色谱中的信号[5]。本研究通过研究纤维原料及配比对抄造过滤材料（以下简称滤材）过滤效率和过滤阻力的影响，以及浆内添加和表面喷洒胶黏剂对滤材强度的影响，并将抄造的滤材与进口产品进行了对比，其各项性能不仅能达到ISO 3308的要求，也达到或超过了进口产品的水平。

1 实 验

1.1 实验试剂及原料

1.1.1 试剂

湿强剂PAE，固含量10.4%，石家庄冀亨助剂有限公司；原硅酸钠，分析纯，广东翁江化学试剂有限公司；丙烯酸乳液A，市售；丙烯酸乳液B，自制。

1.1.2 原料

玻璃纤维A，直径10～20μm，长度3～6 mm，泰山玻璃纤维有限公司；玻璃纤维B，直径0.5～1.0μm，长度5～10 mm，榆林天盛缘玻璃纤维有限公司。

1.2 实验设备

纸浆标准解离器（03，L&W公司）；PALAS滤料测试系统（MFP3000，德国PALAS公司）；卧式拉力机（ZB-WL30，杭州纸邦自动化技术有限公司）；纸页成型器（RK-3A，中国制浆造纸研究院有限公司）；纤维测量仪（XWY-VII，珠海华伦造纸科技公司）；鼓式干燥器（E-100，美国AMC公司）；荧光能谱仪（ARL QUANT，赛墨飞世尔科技有限公司）；扫描电子显微镜（S-3400N，日立先端科技股份有限公司）。

1.3 实验方法

1.3.1 物理性能指标测试

滤材定量按GB/T 451.2—2002测定、紧度按GB/T 451.3—2002测定、抗张强度按GB/T 12914—2008测定。过滤效率和过滤阻力按照ISO 29463-5∶2018进行测定。

1.3.2 手抄片制备

按照GB/T 24326—2009中的方法在纸页成型器上抄片，使用转鼓干燥器干燥。

1.3.3 纸张分析

纤维测量仪分析：取适量的滤材样品，将其分散为纤维悬浮液，用Graff“C”染色剂染色后观察纤维的形态特征，从而判断纤维的种类。

扫描电子显微镜（SEM）：用薄刀片裁取所需大小的滤材，将滤材固定在样品台面，所需观察的表面或截面朝上，喷金处理后观察滤材表面。

2 结果与讨论

根据ISO 3308的规定及用户的使用要求，烟气成分分析用过滤材料应满足过滤效率≥99.9%，过滤阻力≤360 Pa，纸张强度应较好，不应在使用过程中出现破损[5]。

2.1 纤维配比对滤材过滤性能的影响

玻璃纤维是生产高效和超高效过滤材料最常使用的纤维原料，也是达到滤材过滤性能要求的关键原料[6]。本研究选取直径10～20μm玻璃纤维A和直径为0.5～1.0μm玻璃纤维B进行配抄，其纤维长度分布如图1所示。玻璃纤维A平均长度为3.231 mm，因其为短切化学纤维，纤维长度主要分布在2.5～3.5 mm的范围内，细小纤维含量极少。玻璃纤维B平均长度为2.023 mm，纤维长度主要分布在2.0～3.5 mm的范围内，但其短纤维含量明显较多。由于玻璃纤维B直径较小，且非常容易发生脆裂，本研究采用自制的无损分散设备进行分散。然而即使使用了无损分散设备，也不排除其短纤维是由于制样过程中产生纤维断裂造成的。

图1 玻璃纤维A和玻璃纤维B长度分布Fig.1 Length proportion of glass fiber A and glass fiber B

本研究按照表1进行配抄，研究2种纤维不同质量比对滤材过滤性能的影响。滤材的定量220 g/m2，为了达到较高的松厚度，本研究使用烘缸干燥，尽可能不施加压力。

表1 玻璃纤维A和玻璃纤维B质量比Table 1 Mass ratio of glass fiber A and glass fiber B %

图2为玻璃纤维A和玻璃纤维B质量比对滤材过滤性能的影响。从图2可以看出，提高玻璃纤维B的配抄比例，可以有效提高滤材过滤效率，但是会大幅增加滤材过滤阻力。当玻璃纤维B的含量60%，玻璃纤维A的含量40%时，滤材过滤效率为99.991%，过滤阻力为360 Pa，可以达到剑桥滤片的使用要求，但过滤阻力临近上限值。当玻璃纤维B的含量55%，玻璃纤维A的含量45%时，滤材过滤效率为99.800%，过滤阻力为290 Pa，过滤效率略低于产品要求，但是过滤阻力远低于上限值。因此，玻璃纤维B的含量应该在55%～60%之间。

图2 玻璃纤维A和玻璃纤维B质量比对滤材过滤性能的影响Fig.2 Effect of the mass ratio of glass fiber A and glass fiber B on filtration performance of filter pad

进一步选取了玻璃纤维A与玻璃纤维B质量比42∶58进行配抄并测试，滤材过滤效率为99.970%，过滤阻力为330 Pa，此配比可同时满足剑桥滤片过滤效率和过滤阻力的要求。

2.2 增强工艺研究

对2.1中不同玻璃纤维质量比的滤材分别进行抗张强度检测，其结果如图3所示。从图3可以看出，随着直径较小的玻璃纤维B添加量下降，滤材的抗张强度呈现逐渐下降的趋势，但是只单纯使用2种玻璃纤维进行配抄，滤材的强度性能均较差，因此需要对滤材的增强工艺进行研究。为确保滤材具有较高的松厚度，不能采用浸渍或者涂布的方式施加有机胶黏剂来进行增强。本研究通过浆内添加和表面喷洒胶黏剂的方式来进行研究。

图3 纤维质量比对滤材抗张强度的影响Fig.3 Effect of the fiber mass ratio on tensile strength of filter pad

2.2.1 表面喷洒胶黏剂对滤材增强作用的研究

滤材定量220 g/m2，玻璃纤维A和玻璃纤维B的质量比为42∶58，抄造工艺同2.1。选取丙烯酸乳液A、丙烯酸乳液B[7-8]和原硅酸钠对原纸表面进行喷洒，3种胶黏剂均分别进行施加量为10 g/m2和15 g/m2的喷洒试验，其增强效果如图4所示。从图4可以看出，原硅酸钠几乎没有增强作用，丙烯酸乳液A和丙烯酸乳液B虽然有比较明显的增强作用，但当施加量为10 g/m2时，胶黏剂的含量接近5%，已经达到了标准中对胶黏剂含量不能超过5%的要求，而滤材抗张强度最优仅为0.28 kN/m，在使用中仍然容易产生破损。表2为喷洒不同胶黏剂对滤材过滤效率和过滤阻力的影响，从表2可以看出，表面喷洒胶黏剂对滤材过滤效率影响较小，但会较大幅度提高滤材的过滤阻力，因此采用表面喷洒增强的方式具有一定的难度。

图4 喷洒不同胶黏剂对滤材抗张强度的影响Fig.4 Effect of spraying different adhesive on tensile strength of filter pad

表2 喷洒不同胶黏剂对滤材过滤效率和过滤阻力的影响Table 2 Effect of spraying different adhesive on filtration efficiency and filtration resistance of filter pad

2.2.2 浆内添加胶黏剂对滤材增强作用的研究进一步对浆内添加胶黏剂的工艺进行了研究。制备的滤材定量220 g/m2，玻璃纤维A和玻璃纤维B的配比为42∶58，浆内分别添加2%、4%、6%、8%（对绝干浆）的丙烯酸乳液B，抄造工艺同2.1。从图5可以看出，随着丙烯酸乳液B添加量的增加，滤材抗张强度呈现上升趋势。但当添加量8%时，滤材抗张强度仍较小，而此时过滤阻力却较大。但整体来看，浆内添加丙烯酸乳液B对滤材过滤阻力的影响要小于表面喷洒的方式，浆内增强的作用效果要略优于表面喷洒。

图5 丙烯酸乳液B添加量对滤材抗张强度和过滤阻力的影响Fig.5 Effect of acrylic emulsion B on tensile strength and filtration resistance of filter pad

由于单独使用丙烯酸乳液B进行增强不能达到标准ISO 3308对胶黏剂质量分数不能超过5%的规定，本研究采用丙烯酸乳液B与其他增强剂复配进行实验。剑桥滤片在使用过程中需要在溶液中进行震荡，因此除了干强度外，剑桥滤片也需要一定的湿强度来保证其在震荡过程中不会分散，聚酰胺环氧氯丙烷（PAE）既可提高干强度又可提高湿强度，因此实验选用PAE与丙烯酸乳液B进行复配。为了减少对滤材过滤阻力的影响，丙烯酸乳液B的添加量4%，在此基础上又分别添加0.1%、0.2%、0.3%和0.4%（对绝干浆）的PAE，实验结果如图6所示。从图6可以看出，浆内添加PAE可有效提高滤材抗张强度，随着PAE添加量的增加，滤材抗张强度呈现上升趋势，当PAE添加量为0.4%时，滤材抗张强度为1.01 kN/m。此工艺条件下滤材的过滤效率为99.980%，过滤阻力为345 Pa，达到烟气滤片标准对滤材过滤性能的要求。

图6 PAE添加量对滤材抗张强度影响Fig.6 Effect of PAE content on tensile strength of filter pad

2.3 滤材与进口产品的对比

2.3.1 纤维原料对比

图7为自制滤材与剑桥滤片纤维照片。如图7所示，剑桥滤片主要含有几种不同粗细的纤维，纤维表面平滑无痕，纤维边缘互相平行，纤维横断面为圆形，这表明剑桥滤片样品中无植物纤维，只含有化学纤维，其形态与2.2中自制滤材原材料相似。

图7 自制滤材与剑桥滤片纤维显微镜图Fig.7 Microcope pictures of fiber of homemade filter pad and Cambridge filter pad

图8为剑桥滤片SEM图片，从图8可以看出，进口产品主要含有2种规格的纤维，较粗的纤维直径在3～5μm范围内，较细的纤维直径在0～1μm范围内。由图8（a）和图8（c）可以明显看出，图8（a）中的细纤维明显比图8（c）中的少，造成这样的两面差可能是因为在湿纸幅脱水的过程中，由于抽真空的作用，细纤维容易通过孔隙流动到靠网面的那一层浆料中，成纸时就会出现网面的细纤维比毛毯面多的现象。从图9自制滤材的SEM图片中也可以观察到相同现象。

图8 剑桥滤片SEM图Fig.8 SEM images of Cambridge filter pad

本研究中选择的较粗的玻璃纤维直径为10～20μm，如图9所示，而剑桥滤片中较粗的玻璃纤维直径仅为3～5μm。经过测试，使用10～20μm的玻璃纤维配抄0.5～1.0μm的玻璃纤维，其过滤效率和过滤阻力也可达到性能要求，且直径为10～20μm的玻璃纤维的价格比直径为3～5μm的玻璃纤维更加便宜，有效降低了原材料成本。

图9 自制滤材SEM图Fig.9 SEM images of homemade filter pad

2.3.2 性能指标对比

从表3可以看出，自制滤材的过滤效率和过滤阻力均达到进口产品的水平，强度性能更优异。

表3 样品性能指标Table 3 Sample properties index

3 结论

本研究通过探究纤维原料组成对卷烟烟气成分分析用过滤材料过滤阻力和过滤效率的影响，以及纸张的增强工艺，制备出性能指标达到或超过进口产品水平，且成本更低的卷烟烟气成分分析用过滤材料。

3.1 直径为10～20μm的玻璃纤维和直径为0.5～1.0μm的玻璃纤维的配抄比例影响滤材的过滤效率和过滤阻力，提高直径为0.5～1.0μm的玻璃纤维配比可有效提高过滤效率，但会增加过滤阻力，当直径为10～20μm的玻璃纤维含量为42%，直径为0.5～1.0μm的玻璃纤维含量58%时，制备的过滤材料过滤效率为99.970%，过滤阻力为330 Pa，均满足过滤性能要求。

3.2 浆内添加丙烯酸乳液和聚酰胺环氧氯丙烷复配增强可有效提高过滤材料的抗张强度，当丙烯酸乳液添加量为4%，聚酰胺环氧氯丙烷添加量为0.4%时，制备的过滤材料抗张强度为1.01 kN/m，此时过滤材料过滤效率为99.980%，过滤阻力为345 Pa，满足产品的使用要求。