微米级聚乳酸纤维膜吸附卷烟烟气外文翻译资料

 2022-08-07 11:32:14

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微米级聚乳酸纤维膜吸附卷烟烟气

作者：Yi-qing Gu, Zhe Wang, Ying Sun, Yi-Kai Wang, Zhi-juan Pan

文献来源:Fibers and Polymers,2018,19(3):515-523.

摘 要

通过改变相对湿度可以成功地制备出具有不同形态的多孔聚乳酸（PLA）纤维膜。 当相对湿度高于45％时，聚乳酸纤维表面出现纳米孔形态。测量了聚乳酸纤维的微观结构，以及聚乳酸纤维膜的堆积密度和通孔尺寸，发现它们极大地影响了烟雾的吸附性能。在照片中记录了烟雾的吸附，并且通过扫描电子显微镜观察了烟雾如何吸附在膜上的过程。用吸烟机测得的尼古丁，焦油，水蒸气和一氧化碳的最大去除效率分别为40.0％，36.9％，5.8％和13.6％，并进行了感官评估，以评估烟用吸附纤维膜的实际应用。

关键词： 静电纺丝、聚乳酸、纤维膜、卷烟烟气、烟气吸附性能

1.简介

吸烟是由于在吸烟过程中烟草未完全燃烧而产生的。香烟烟雾是一种包含2000多种化学成分的气雾剂。尼古丁，焦油，一氧化碳（CO）和水蒸气是主要成分[1]。 摄入这些化学物质会破坏DNA，RNA和细胞蛋白，干扰器官的正常功能，并最终导致慢性疾病和癌症。Janoff等[2]通过观察大鼠肺中alpha;1-抗胰蛋白酶活性的降低，表明吸入香烟烟雾可能导致肺气肿。Nakayama等[3]报道，香烟烟雾在培养的人类细胞中诱导了相当数量的DNA单链断裂，而这种断裂是导致人类肺癌的主要原因。此外，由于尼古丁是香烟中的主要成瘾成分，因此吸烟者很难戒烟。吸烟者体内可与尼古丁结合的乙酰胆碱的含量也远高于不吸烟者。当停止吸入尼古丁时，多余的乙酰胆碱会引起身心不适，从长远来看，这种化学依赖性可能会导致更严重的后果[4,5]。

烟雾吸附是一种有助于防止有害颗粒影响人类生活的方法。因此，迫切需要为烟雾过滤器开发更好的吸附技术[6]。更换香烟过滤嘴中的材料是提高微粒去除效率的有效方法。如今，由于出色的过滤和吸附性能，这些材料有90％由醋酸纤维素（CA）组成[7]。由于其独特的结构或有效的化学吸附作用，许多材料，例如树脂[8]，羊毛纤维[9]和柔性泡沫[10]已被用于烟气吸附。然而，这些材料具有相对较大的直径和较低的表面积，使得它们的烟气吸收能力不理想。通过向香烟过滤嘴中添加稳定且无毒的吸附剂，也可以拦截香烟烟雾。活性炭于1958年首先在商业上添加到香烟过滤嘴中[11,12]。此后，氧化碳纳米管[13]，沸石[14,15]和许多其他吸附剂也已用于烟雾吸附。尽管所有这些材料的吸附能力都基本令人满意，但高成本和难以生产阻碍了它们的进一步发展。

纳米纤维由于其相对较小的直径和较大的表面积而可用于烟气吸附[16]。静电纺丝是获得纳米纤维的一种更方便的方法[17-19]，因为可以通过改变溶液参数（例如溶液的质量浓度和溶剂挥发性），工艺参数（例如，进给速度，工作距离和静电纺丝时的电压）以及环境条件（例如环境的相对湿度）[20-23]。Strain等[24]制备了不同直径的电纺PET纤维膜用于烟气吸附，结果表明随着纤维直径的减小，烟气吸附效果增强。Yousef Molaeipour等[25]制备了包含用于烟气过滤的超细醋酸纤维素纳米纤维的纳米纤维过滤器。较细的纤维和双层电纺过滤介质可同时提高去除效率和降低压降。如今，PVA[6]，氧化碳纳米管[13]已成功应用于烟雾过滤。然而，由于大多数可电纺成纳米纤维的聚合物尚未应用于烟气吸附，因此仍有改进烟气吸附纤维膜的空间，目前适用的测试方法仅限于称量法和红外光谱法。以上报道的工作说明了纤维直径与层数和烟雾去除效率之间的关系，但忽略了纤维膜孔结构对烟气过滤的影响。

聚乳酸（PLA）是一种低成本的生物聚合物，可用于香烟烟雾的吸附，并且可能适合工业化。还报道了用于人类临床应用（例如组织工程）的聚乳酸纤维膜，这取决于其在人体中已证明的生物相容性，可生物降解性和无毒特征[26]。在当前的研究中，通过静电纺丝和改变诸如纤维直径，纤维表面上的纳米孔宽度和通孔尺寸等特性，获得了具有不同微结构的聚乳酸微米级纤维。详细考察了香烟过滤嘴中纤维膜的位置、聚乳酸纤维形态对吸气性的影响以及对尼古丁，焦油，一氧化碳和水蒸气的去除效率的影响。这些结果将为将来用于香烟烟雾吸附的纤维膜的研究铺平道路。

2.实验部分

材料

聚乳酸（Mw = 1.0times;105）从浙江海正生物材料有限公司获得。N，N-二甲基乙酰胺（DMAC）购自美国新泽西州的Sigma-Aldrich股份有限公司。 二氯甲烷（DCM）购自中国北京国药集团化学试剂有限公司。香烟购自中国徐州的中国江苏烟草实业有限公司。所有化学药品均为分析纯，无需进一步纯化即可使用。

纳米纤维处理

在我们先前的研究中[21]，将聚乳酸溶解在DCM / DMAC（10：1，w / w）的混合物中，已生成质量百分比为7％的聚乳酸溶液。当相对湿度变化在30％，45％和60％时，使用静电纺丝技术从制备的溶液制备微米级的纤维膜。将聚乳酸溶液装入具有21号金属针的玻璃注射器中，并以恒定的进料速度（1 ml / h）挤出。 施加16 kV的电压（DW-P503-1ACDF，中国天津东文高压电源有限公司）以拉伸微米级纤维，并设置以5.5 m / min速度旋转的接地金属辊距针尖12厘米处收集微米级纤维。

膜表征

使用场发射扫描电子显微镜（FE-SEM，S4800，Hitachi有限公司，日本东京）观察聚乳酸纤维的形态。通过图像处理软件（Image-Pro Plus 5.0）测量微米级纤维表面上的平均纤维直径和孔的平均直径。通过手动操作的通孔尺寸分析仪（Porometer 3G，Quantachrome有限公司，美国）分析通孔尺寸及其在纤维膜中的分布。

堆积密度根据等式（1）计算：

alpha;= （1）

其中W是通过电子天平（BS224s，Sartorius有限公司，德国哥廷根）测量的每单位面积纤维膜的重量（g / cm2），rho;f是聚乳酸的密度，固定为1.27 g / cm3，Z为纤维膜的厚度（cm），其通过千分尺螺旋规（日本川崎三丰公司）测量。

烟雾吸附特性

吸附过程

为了确定香烟烟雾是如何吸附到纤维膜上的，研究了不同的抽吸量（10 ml，30 ml，60 ml，90 ml和120 ml）被吸附的过程。如图1所示，自制的香烟烟雾发生器被设计为产生不同体积的香烟烟雾。将香烟放在自制设备的前部，并在香烟过滤嘴的中间放置纤维膜（图2）。将膜放入香烟中的方法非常简单。首先，我们将膜切成半径为9毫米的圆圈。然后，将圆形膜放入香烟过滤嘴的横截面中。 圆形膜和香烟过滤嘴可以紧密粘合在一起，因为聚乳酸纤维和香烟过滤嘴的纤维毛羽可以彼此缠绕。最后，我们将复合过滤器放回柏树纸上。点燃香烟后，立即将注射器活塞拉至一定体积。吸收一些烟雾后，使用FE-SEM和FTIR对静电纺成的微米级纤维进行拍照和表征。

图1 自制香烟烟雾发生器。

图2 自制装置的改良香烟的示意图。

图3 用于吸烟机的改进型香烟的示意图。

尼古丁，焦油，水蒸气和一氧化碳的去除效率

遵循中国国家标准GB / T 16450-2004，使用卷烟机吸烟，该机器中的玻璃纤维收集器用于收集未被聚乳酸纤维膜吸附的烟气。如图3所示，将纤维膜设置在香烟过滤嘴的两个独立位置（通风孔之前或之后3厘米），因为通风孔可以在吸烟时补充空气，因此通风孔之前和之后的烟气浓度是不同的 。

总颗粒物是玻璃纤维收集器捕获的所有物质，是尼古丁，焦油和未被聚乳酸纤维膜吸附的水蒸气的总和。收集器上的总颗粒物，尼古丁和水蒸气的质量可以直接测量。

总颗粒物的质量（mg）根据等式（2）计算：

（2）

其中mTPM是总颗粒物的质量，m1是捕获之前的玻璃纤维收集器的质量，m2是捕获之后的玻璃纤维收集器的质量（在电子天平上测量），q是吸烟的香烟数量 （本研究中有20支香烟）。

气相色谱法用于测定尼古丁和水蒸气。使用标准溶液获得尼古丁和水蒸气含量以及峰面积的函数。标准溶液和峰面积的函数由位于中国徐州的中国烟草江苏实业有限公司的实验室提供。 我们将烟雾机捕获的尼古丁和水蒸气溶解在萃取剂（此处为异丙醇）中，并通过气相色谱法获得其峰面积。烟碱和水蒸气的含量可以通过中国烟草江苏实业有限公司提供的函数来计算。中国国家标准GB / T 233552009和中国职业标准YC / T 157-2001详细描述了该方法。

未吸附的焦油质量根据等式（3）计算：

（3）

其中mt，mn和mw分别是焦油，尼古丁和水蒸气的质量。

一氧化碳被收集在气袋中，气袋的体积足够大以确保在使用过程中不会产生压力。通过散射红外分析仪测量未吸附的CO的质量。

抽吸口数

抽吸数反映了抽烟多少次才能使香烟燃烧到指定位置。为了自动停止吸烟，将棉线缠绕在香烟过滤嘴上，与烟草和过滤嘴之间的连接点相距8 mm。 结果，当棉线烧尽时，香烟也停止燃烧了，并由吸烟机记录了抽吸次数。

感官评估

进行了由10名志愿者记录的感官评估，以研究纤维膜的实际应用。所有志愿者均为男性大学生，年龄在18-21岁之间。感官评估分为气味评估（包括香气量，香气丰富度和令人讨厌的气味）和味道评估（包括干燥度和余味）。每种香烟都经过了五次测试。

3.结果与讨论

多孔聚乳酸纤维膜

湿度对聚乳酸纤维形态的影响

众所周知，电纺过程中的相对湿度对聚乳酸纤维的形态，特别是对孔结构和纤维直径有很大的影响。通过在相对固定的条件下将相对湿度从30％变为60％来制备聚乳酸纤维膜。根据静电纺丝过程中的相对湿度，可将所得的聚乳酸纤维膜称为聚乳酸-30，聚乳酸-45和聚乳酸-60，如图4所示。当相对湿度低（30％）时，在纤维上会出现一些孔。纤维的表面，纳米孔的宽度很小（表1）。当相对湿度增加到60％时，纤维表面上出现更多的孔，并且纳米孔变得更大（表1）。Wang等[21]报道这种现象可以通过相分离和拉伸过程中呼吸形状的出现来解释。在孔形成过程中发生的相分离类型是旋节线分解。在孔形成过程中，不会自发发生相分离。由溶剂挥发引起的冷却和由带电射流激振引起的扭转振动激活了相分离过程。当用注射器将带电的聚合物射流压入电场时，它在电场力作用下拉伸并随着蒸发的溶剂固化。然而，由于DCM和DMAC的挥发性，温度急剧下降，并且由于蒸发冷却，水蒸气在纤维表面上液化。表面对流和热毛细作用力导致液化水滴在带电射流上有序分散。由于表面张力，聚合物在蒸发时在水滴和溶剂之间的界面上固化。随着相对湿度的增加，更多的水蒸气悬浮在纤维周围，从而导致更多的水蒸气凝结和形成更多的孔。表1显示了聚乳酸-30，聚乳酸-45和聚乳酸-60的平均纳米孔直径，发现它们随湿度的增加从77 nm增加到了160 nm。这些结果证明了相对湿度极大地影响了纤维的形态。

在低湿度下生产的纤维比高湿度下的纤维细。聚乳酸-30，聚乳酸-45和聚乳酸-60的平均

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