彩色PLA 烟用丝束及滤嘴棒的制备方法

陈水平，李海山，蒋志辉，王 静，院国军，韩 军

（1.湖北金叶玉阳化纤有限公司，湖北 宜昌 444100；2.昆明瑞丰印刷有限公司，云南 昆明 650217；3.陕西金叶印务有限公司，陕西 西安 710000）

随着科技进步和人民生活水平的提高，各种新颖、独特的香烟滤嘴棒[1]陆续推出，在提升卷烟产品内在品质的同时，也强化了烟民的视觉效果和品质感，得到了广大烟民的欢迎和认可。作为新型特种滤棒的一种，彩色滤嘴棒的研发也引起了部分科研人员的重视。

对滤嘴棒来说，安全卫生指标至关重要，实行一票否决制。从滤棒的生产工艺和安全角度考虑，彩色丝束的制备不能像纺织品那样通过印染的方式来完成，只能考虑比较安全的原液着色方式对烟用丝束进行染色，然后用彩色烟用丝束进一步加工制成幻彩滤嘴棒。

单纯从技术角度考虑，醋纤丝束也可以通过原液着色的方式生产出彩色丝束[2]，但是在彩色丝束生产转换时，需要较长时间用丙酮清洗浆液储罐和输送管道，特别是由彩色丝束转换成白色丝束时，有时需要一周左右才能彻底清洗干净，从而使生产成本大幅上升。醋纤丝束的生产装置年产量大都在万吨以上，一些厂家曾尝试过开发彩色丝束，但最终因产品过渡时清洗麻烦、成本过高，放弃了彩色醋纤丝束的生产。

聚乳酸（PLA）拥有良好的安全环保性能，PLA 薄膜滤棒和PLA 纤维滤棒已开始在部分的卷烟品牌上应用推广。由于聚乳酸是采用熔融法纺丝，工艺流程短、产品转换灵活、过渡清洗成本低，在彩色丝束生产方面有较大优势，有必要对彩色PLA 丝束及滤棒进行研究。

1 PLA 纤维原液着色

原液着色是指在聚合物合成或纺丝过程中，在原料中加入颜料或染料，使颜料或染料与聚合物一起进入螺杆挤出机，在熔融输送过程中颜料颗粒会分散在聚合物熔体中，有机染料也会溶解在聚合物熔体中，经喷丝孔挤出后，可直接生产出有色纤维。该方法具有生产工艺简单、污染物排放少、制品色泽均匀和着色牢度高等优点，是一项节能环保的着色技术[3-4]，能充分发挥PLA 纤维绿色环保的优势。

1.1 着色剂与着色原理

着色剂分为染料和颜料两大类。染料通过溶解于媒介中进行染色，PLA 具有疏水亲油性，与有机染料相容性好，有机染料可以通过熔融共混与PLA 均匀混合而染色，也可以通过与PLA 端部的羧基和羟基进行化学结合而增加着色效果。颜料是通过均匀分布在纤维内的细微颗粒对光线进行吸收、反射和折射等作用使纤维达到着色效果，其着色过程没有化学变化，只要颜料能以微粒状态均匀分散在PLA 纤维中即可，对与PLA 的亲和力和结合力要求低，因此颜料的选择范围相应较宽。

1.2 着色工艺

纤维原液着色工艺可以分为聚合过程着色和纺丝过程着色。针对采用熔融纺丝的PLA 纤维来说，根据着色剂的处理方法不同又可分为直接染料着色和色母粒着色2 种。

1.2.1 聚合阶段着色法

这是一种在聚合物合成时加入着色剂，直接生产出有色聚合物，再将着色聚合物纺成有色纤维的方法。由于着色剂会玷污反应釜，更换颜色时清洗成本高、非常麻烦，只适用于单品种大批量生产。对聚乳酸树脂来说，目前还没有批量的彩色工业产品销售。

1.2.2 直接染料着色法

直接染料着色法是将有机染料与聚合物树脂，按一定比例直接混合后进行熔融纺丝的方法。部分有机染料与PLA 树脂相容性好，在常温或加热状态下有一定粘合性，通过搅拌后可以粘附在PLA 树脂上达到均匀混合。该方法染料会污染混合加料系统，更换颜色时需要进行清洗，或者选择不同的混合加料装置，但清洗成本并不高，具有一定的经济性和实用性。

1.2.3 色母粒着色法

这是先将着色剂制成色母粒，然后在纺丝时加入色母粒使聚合物熔体着色，进而生产出着色纤维的方法，其特点为：上料可采用气流输送、自动化程度高；该方法的上料过程不产生污染，对纺丝机污染较小，过度清洗成本低、经济高效；纤维的颜色可通过调节色母粒添加量精确量化；颜色更换也方便快捷。

此外，还可以通过在色母粒中添加一些功能成分物质，进而使着色纤维附加上一些功能，比如消光、抗静电、耐热性、粘接性和选择性吸附等。色母粒着色法是目前纤维原液着色应用中最成功、最广范的方法[5-7]。

1.3 PLA 纤维原液着色

原液着色PLA 纤维通常是使用聚乳酸作为载体型色母，再与本白色的聚乳酸熔体混合而制备成有色熔体，再纺制成有色纤维。

王宁宁等[8]采用聚乳酸作载体树脂、木质素作颜料，制备出可生物降解的“木质素/聚乳酸”色母粒，该色母粒熔融后为典型的假塑性流体，可以着色聚乳酸制品。木质素的加入使材料黏度降低，当木质素加入比例为25%时，色母粒的遮盖力和着色力最强。

董浩等[9]针对聚乳酸原液着色过程中炭黑与聚乳酸相容性差导致其力学性能下降的问题，采用原位聚合法制备了聚乳酸改性炭黑，并对聚乳酸纤维进行原液着色，在丙交酯单体的用量为1.5g、聚合时间为6h和聚合温度为70℃时，制备出的改性炭黑的粒径最小，为184.2nm，且其在聚乳酸纺丝溶剂中可以稳定分散，与聚乳酸相容性良好，分散更为均匀；与未改性的炭黑相比，加入炭黑后PLA 纤维的拉伸强力和断裂伸长率分别得到不同程度的提高。

张帅[10]使用多种纳米颜料调配得到橙黄、紫红两种拼色颜料，同时通过对红、黄、蓝三原色颜料，紫色、绿色两种间色颜料，以及橙黄、紫红两种拼色颜料进行原液着色试验，结果表明了PLA 原液着色具有完整、齐全的色谱。

1.4 色母粒原液着色PLA 纤维的应用

李文俊等[11]将3 种干燥的聚乳酸切片，分别加入3种色母粒，用3 个挤出机挤出并计量，分别得到第1、第2、第3 纺丝熔体，将得到的第1、第2 及第3 纺丝熔体引入纺丝箱，并通过各自的熔体流道流向喷丝板，从喷丝孔汇合并挤出，经吹风冷却和上油，得到初生纤维，初生纤维经平衡后再依次经预牵伸、主牵伸、网络、热盘定型和卷绕成筒，得到成品纤维。该纤维3 个叶的颜色和性能不同，具有丰富的彩色效果及优异的蓬松性和透气性。

尚佳[12]采用聚乳酸切片和色母粒混合，在加热熔融后经喷丝板挤出成型，经拉伸和热处理后得到具备颜色的聚乳酸纤维色丝，色丝截面呈圆形或长方形，可直接用于纯纺或色纺，色丝呈中空状，提升了纤维的保暖性和吸湿排汗性能，同时由于聚乳酸具备的天然抗菌抑菌等性能，因此在纺丝阶段无需加入任何抗菌材料，即可实现色丝的天然抗菌抑菌性能。

2 彩色PLA 烟用丝束和滤棒的开发研究

2.1 加入颜料（色母粒）着色

吴景强等[13]采用不同熔点的聚乳酸母粒、精制的有机和无机颜料以及蜡类、树脂类或硬脂酸盐类分散剂，混合均匀后熔融纺丝制备出彩色PLA 丝束，用彩色丝束进一步可以制备出相应的彩色PLA 滤棒。其中，有机颜料为酞青红、酞青蓝、酞青绿、永固黄、永固紫和偶氮红；无机颜料为镉红、镉黄、钛白、炭黑、氧化铁黄和氧化铁红。

2.2 纺丝过程中化学反应着色

糖可以与氨基化合物进行美拉德反应产生褐变。没有氨基化合物时，糖类物质加热到熔点以上的高温就会发生脱水与降解，进行焦糖化反应产生褐变。

利用焦糖化及美拉德褐变反应，将适当比例的糖类物质、氨基化合物与聚乳酸共混，然后加入到螺杆挤出机中进行熔融纺丝，通过调整纺丝温度、糖类物质和氨基化合物的比例，可以生产出从浅黄、黄色、棕色直到褐色等一系列彩色聚乳酸烟用丝束[14]。

2.3 加入天然有机色素着色

天然色素如番茄红素、叶黄素等，由于稳定性差，在传统纤维和纺织印染过程中不能使用。鉴于天然色素良好的安全性能，以及烟用丝束和滤棒都是避光密闭储存、卷烟为一次性消费的特殊性，可采用直接染料着色法，将番茄红素、叶黄素及其酯类等天然有机色素直接与PLA 树脂按一定比例进行混合，然后投入螺杆挤出机中进行熔融纺丝，通过调节色素比例和纺丝温度，可生产出从金黄、正黄、柠檬黄和浅黄等一系列彩色聚乳酸纤维[15]。

番茄红素、叶黄素等这些天然色素在日晒、高温等条件下容易被氧化变色，PLA 纺丝时在高温下容易发生氧化降解，上述色素和PLA 树脂混合纺丝时可产生协同抑制作用。PLA 树脂氧化降解生成的少量羧基基团也有可能与天然色素反应，生成新的酯类色素，进而增加天然色素的稳定性。这些有机色素与PLA 相容性好、可纺性好，可添加物质的比例高，但是添加比例高时会让丝束的结晶度下降、耐热性下降，经过研究认为，添加物的比例在1%以内最为适宜。

3 PLA 幻彩（多彩）滤棒的开发

在彩色PLA 滤棒的研发过程中，可将不同颜色的PLA 初生纤维集束合并后进行牵伸、卷曲等后加工制作，制备出多种颜色（多彩/幻彩）的PLA 丝束，然后用PLA 幻彩丝束、醋酸纤维丝束，在双开松滤棒成型机上经导丝、开松、施加固化剂、混合成型、分切和包装等工序，制备出PLA 幻彩滤棒[16]。

由于PLA 幻彩丝束在滤棒中的位置、外观图案不固定，不同颜色丝束混合叠加后在视角上颜色又发生变化，呈现出魔幻色彩。PLA 丝束将其特有的弱酸性、疏水性、降温性、抑菌性和降解性等优良性能带入醋纤过滤材料，赋予新的过滤材料更好的过滤效果和抽吸品质。

幻彩过滤材料尤其适用于烟用过滤嘴行业，在外观上具有不固定的魔幻色彩，新颖、独特，视觉冲击力强。在过滤性能方面采用差别化的丝束规格和二种材料的丝束，可以兼顾醋酸纤维丝束和聚乳酸（PLA）丝束的性能优势，调节烟气在滤棒中的运行轨迹和嘴棒的吸附行为，能进一步改善卷烟的吸味，提升卷烟的吸食品质。

4 结语

聚乳酸（PLA）纤维丝束是采用熔融法纺丝，工艺流程短、产品转换灵活、过渡清洗成本低，在彩色丝束生产方面有较大优势。鉴于彩色聚乳酸（PLA）滤棒是与口腔接触的一次性产品，必须把安全性放在首位，只能采用原液着色的方式。考虑到PLA 丝束及滤棒产品采用密封储存，以及接装的卷烟打开后会短时间内抽完、废弃的特点，可以采用加入天然色素和利用糖焦化反应的方式生产彩色丝束，这是与民用纤维原液着色的不同之处，对彩色烟用丝束的开发不失为一种较好的方式。