日前，正在美國威斯康辛大學(xué)訪問的李辰砂博士委托北京蘭德梅克公司轉(zhuǎn)讓其在清華大學(xué)工作期間的，《一種含碳納米管結(jié)構(gòu)的聚合物纖維》，該
申請?zhí)枺?/span>200510055526.0
申請日：2005.03.16
頒證日：2006，12，12
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于化工原料制備技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種含碳納米管結(jié)構(gòu)的聚合物纖維。
背景技術(shù)
香煙在燃燒過程中會產(chǎn)生大量的煙氣,煙氣是一種多相混合物的氣溶膠,由連續(xù)的氣相物質(zhì)和分散的粒子相構(gòu)成。卷煙燃燒產(chǎn)生的主流煙氣通過濾嘴吸入口腔，主流煙氣粒相中含有焦油、尼古丁等有害物質(zhì)。它們在通過香煙過濾嘴時,被部分吸附并滯留在香煙過濾嘴上,煙氣中具有多種揮發(fā)性和非揮發(fā)性有機(jī)物,如羧酸、醛、酮、醇、煙堿、酯類、酚類、萜烯類、烷烴類、植物堿及水分等。煙氣的化學(xué)成分十分復(fù)雜,大約在5200種以上。1982年Mfdube等介紹,目前已鑒定出來的有3875種。其中苯并芘等十多種物質(zhì)是*的致癌物質(zhì),另外,如酚類、吡啶基丙烯醛、苯并蒽等是協(xié)同致癌物質(zhì)。隨著反吸煙運(yùn)動的宣傳和日益強(qiáng)大,促使煙草行業(yè)適應(yīng)這個潮流,生產(chǎn)安全性卷煙,降低焦油等有害物質(zhì)。許萍，寧敏，孫豐飛等在“中國煙草科學(xué)1999, (4):45—47”中的“添加無機(jī)鹽對卷煙焦油量等的影響”，和趙百東“中國煙草學(xué)報(bào)2000，6（3）：26”中的“在美國研制成功降低卷煙焦油及有害成分濾嘴”報(bào)導(dǎo)了通過往過濾嘴的聚合物纖維絲添加無機(jī)鹽的方法，改變煙堿和卷煙內(nèi)在品質(zhì)。劉若曼等人在“環(huán)境與健康雜志1999，16（4）：203-204”的“活性炭對香煙煙霧中有害微量元素的吸附效果”和張高科，崔國治在“建材地質(zhì) 1997，（1）：33-35”的“海泡石型卷煙過濾咀的研制”中報(bào)導(dǎo)了在香煙過濾嘴內(nèi)引入活性炭層或海泡石等吸附性物質(zhì)，以達(dá)到在一定程度上脫除有害物質(zhì)的目的。納米科學(xué)的產(chǎn)生堪稱科學(xué)*的一次革命。納米材料的小尺寸效應(yīng)、表面界面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)等特性,使其具有廣泛的應(yīng)用前景,已被用作催化劑、添加劑及制造新功能材料的重要原料。張悠金等人在“化學(xué)研究與應(yīng)用 2001，13（6）：709-711”的“納米材料降低卷煙煙氣粒相有害成分的研究”中報(bào)導(dǎo)，分別將納米材料Al2O3、SiＯ2、TiＯ2通過直接混合混入過濾嘴中或原位熔融混紡紡絲加入到濾嘴內(nèi)的聚合物過濾絲中,對卷煙煙氣粒相中焦油、尼古丁等有害物質(zhì)的去除起到了一定的作用。
王曙光等人在“科學(xué)通報(bào) 2002， 47（1）：14-16”的“碳納米管負(fù)載氧化鋁及其吸附水中的氟離子”、Yan-Hui Li等人“Chemical Physics Letters, 2002, (357): 263–266”的“adsorption on carbon nanotubes.”和“Carbon, 2003, (41): 1057–1062”的“dsorption of cadmium(II) from aqueous solution by surface oxidized carbon nanotubes”.中報(bào)導(dǎo)，碳納米管(CNTs)具有*一維纖維的結(jié)構(gòu)、納米級的直徑、高的有效比表面積和高的長徑比，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，被認(rèn)為是一種良好的吸附過濾材料。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種含碳納米管結(jié)構(gòu)的聚合物纖維。其特征在于：所述含碳納米管結(jié)構(gòu)的聚合物纖維由碳納米管與聚合物纖維構(gòu)成，在濾嘴成型過程中，碳納米管一端粘附或插入聚合物纖維內(nèi)，另一端游離在外，呈“毛毛蟲”形狀的含碳納米管的復(fù)合聚合物纖維。其制作工藝如下：
1）稱取碳納米管、聚合物纖維（濾嘴絲束）和粘合劑三乙酸甘油酯混合，其中，三乙酸甘油酯和占三乙酸甘油酯質(zhì)量20%～50%的碳納米管組成復(fù)合粘接劑，復(fù)合粘接劑的質(zhì)量占聚合物纖維的10%－60%；用超聲波振蕩進(jìn)行分散，將復(fù)合粘接劑加入到聚合物纖維（濾嘴絲束）中；
2）采用“PlaTntex-SPA”噴絲板短程紡設(shè)備進(jìn)行紡絲。紡絲過程如下：聚合物纖維與碳納米管混合、熔融紡絲、一道上油、牽伸、二道上油、卷曲、熱定型、擺絲和打包成含碳納米管結(jié)構(gòu)的聚合物纖維濾嘴絲束；
紡絲條件：溫度240～250℃，卷繞速度400m/min；
拉伸與定型：拉伸溫度75℃，拉伸倍數(shù)6，定型溫度130℃，定型時間25分鐘，使碳納米管一端粘附或插入聚合物纖維內(nèi)，另一端游離在外，形成“毛毛蟲”形狀的含碳納米管的復(fù)合聚合物纖維。
所述聚合物纖維為丙綸或醋酸纖維
所述一道上油和二道上油所上的油為甘油，占聚合物纖維的質(zhì)量比為0.1%
本發(fā)明的有益效果是將碳納米管引入香煙過濾嘴的聚合物纖維，所制備的香煙過濾嘴內(nèi)部在細(xì)觀上具有納米級的吸附過濾孔道，吸附比表面積大，而且發(fā)揮碳納米管的優(yōu)異的吸附性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示對有害物質(zhì)的脫除率顯著增高。另外，納米結(jié)構(gòu)的過濾纖維上碳納米管與纖維絲有著牢固的結(jié)合，碳納米管不會被吸入肺內(nèi)。探討了納米材料降低卷煙煙氣中有害成分的新途徑，不但可以以減少吸煙對健康的危害。而且，制備的附帶碳納米管的聚合物纖維絲還可以織成過濾布，用于醫(yī)用口罩以及其它與去除有害物質(zhì)相關(guān)的應(yīng)用領(lǐng)域。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明提供一種含碳納米管結(jié)構(gòu)的聚合物纖維。所述含碳納米管結(jié)構(gòu)的聚合物纖維由碳納米管與聚合物纖維構(gòu)成，在濾嘴成型過程中，形成“毛毛蟲”形狀的含碳納米管的復(fù)合聚合物纖維。其制作工藝如下：
1）稱取碳納米管、聚合物纖維丙綸或醋酸纖維（濾嘴絲束）和粘合劑三乙酸甘油酯混合，其中，三乙酸甘油酯和占三乙酸甘油酯質(zhì)量20%～50%的碳納米管組成復(fù)合粘接劑，復(fù)合粘接劑的質(zhì)量占聚合物纖維的10%－60%；用超聲波振蕩進(jìn)行分散，將復(fù)合粘接劑加入到聚合物纖維中
2）采用“PlaTntex-SPA”噴絲板短程紡設(shè)備進(jìn)行紡絲。紡絲過程如下：聚合物纖維與碳納米管混合、熔融紡絲、一道上油（甘油，占聚合物纖維的質(zhì)量比為0.1%）、牽伸、二道上油（甘油，占聚合物纖維的質(zhì)量比為0.1%)卷曲、熱定型、擺絲和打包成含碳納米管結(jié)構(gòu)的聚合物纖維濾嘴絲束。
紡絲條件：溫度240～250℃，卷繞速度400m/min
拉伸與定型：拉伸溫度75℃，拉伸倍數(shù)6，定型溫度130℃，定型時間25分鐘。使碳納米管一端粘附或插入聚合物纖維內(nèi)，另一端游離在外，形成“毛毛蟲”形狀的含碳納米管的復(fù)合聚合物纖維。
在混紡中形成上述形貌的含碳納米管的聚合物絲原理：所紡制的用于制備香煙過濾嘴的聚合物絲直徑小，只有幾μm。碳納米管的長徑比非常大（這是碳納米管相對于其它納米材料的*特點(diǎn)之一），可以達(dá)到幾千以上，直徑30-40nm的碳納米管，長度可以達(dá)到μm。碳納米管的長度接近聚合物纖維絲的直徑，可以在紡絲過程中形成碳納米管“半插入”纖維絲表面，使含碳納米管的復(fù)合纖維絲呈現(xiàn)“毛毛蟲”形貌。但是需要控制碳納米管的含量不能太低，否則可能大部分碳納米管被*埋沒于聚合物纖維絲內(nèi)。而碳納米管的含量過大，則影響紡絲。還須兼顧成本與效益來控制加入的碳納米管的量。在濾嘴成型過程中，上述碳納米管的質(zhì)量占三乙酸甘油酯的較好比例為30%；由“碳納米管和三乙酸甘油酯形成的復(fù)合粘接劑的質(zhì)量占濾嘴絲束（聚合物纖維絲）的較好比例為15%。
經(jīng)選用儀器：FiltronaCOA200二十孔道吸煙機(jī)、HP5890氣相色譜儀、HP6890帶自動進(jìn)樣器氣相色譜儀、HP3393Ａ數(shù)據(jù)處理機(jī)、HP5890氣相色譜和5988質(zhì)譜聯(lián)用儀，分別使用來測試，比較，可以確保測試結(jié)果的可靠性。采用ISO4387，ISO10315標(biāo)準(zhǔn)測試過濾嘴的濾除香煙中有害物質(zhì)的程度。并經(jīng)掃描電鏡觀察，紡制的聚合物絲（直徑小于3μm）表面被纖維狀的碳納米管（直徑為30-40nm）插入，碳納米管的狀態(tài)呈現(xiàn)一部分端插入聚合物絲表面，其余部分呈現(xiàn)游離狀態(tài)，被碳納米管插入的聚合物絲呈現(xiàn)為“毛毛蟲”模樣。如此絲束結(jié)合一起形成的絲束，制成過濾嘴，內(nèi)部具有由碳納米管形成的納米級的過濾孔道。
經(jīng)過檢測，經(jīng)碳納米管改性的聚合物纖維絲制備的過濾嘴使香煙中的焦油、苯并芘、酚類、吡啶基丙烯醛、苯并蒽等物質(zhì)的濾除率顯著高于不含碳納米管的聚合物纖維絲制備的過濾嘴。本研究的經(jīng)碳納米管改性的特殊結(jié)構(gòu)的聚合物纖維絲與碳納米管結(jié)合牢固，碳納米管“半插入”纖維絲表面，或被粘合劑部分粘于纖維絲表面（部分游離）。因此不會溢出或被吸入肺里，相對于將碳納米管或其它納米材料直接混合于過濾嘴中，更加安全。
摘要
本發(fā)明公開了屬于化工原料制備技術(shù)領(lǐng)域的一種含碳納米管結(jié)構(gòu)的聚合物纖維。在含碳納米管結(jié)構(gòu)的聚合物纖維濾嘴成型過程中，先稱取碳納米管、聚合物纖維和粘合劑三乙酸甘油酯混合，用超聲波振蕩進(jìn)行分散，將復(fù)合粘接劑加入到聚合物纖維中、經(jīng)過熔融紡絲、熱定型等多道工序，使碳納米管一端粘附或插入聚合物纖維內(nèi)，另一端游離在外，呈“毛毛蟲”形狀的含碳納米管的復(fù)合聚合物纖維過濾嘴，各個復(fù)合纖維絲上的碳納米管可以相互之間形成納米網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)形成納米級過濾孔道，而且碳納米管本身具有有效的吸附能力，因此可以充分吸除煙氣中的有害物質(zhì)。也可以織成濾布，用于醫(yī)用口罩，可以防非典等。成為具有實(shí)質(zhì)意義的納米過濾材料。
權(quán)利要求
1.一種含碳納米管結(jié)構(gòu)的聚合物纖維，其特征在于：所述含碳納米管結(jié)構(gòu)的聚合物纖維由碳納米管、聚合物纖維（濾嘴絲束）和粘合劑三乙酸甘油酯混合而成，其中，三乙酸甘油酯和占三乙酸甘油酯質(zhì)量20%～50%的碳納米管組成復(fù)合粘接劑，復(fù)合粘接劑的質(zhì)量占聚合物纖維的10%---60%。
2.一種含碳納米管結(jié)構(gòu)的聚合物纖維制作工藝，其特征在于：所述制作工藝如下：
1）先稱取占三乙酸甘油酯質(zhì)量20%～50%的碳納米管和粘合劑三乙酸甘油酯混合組成復(fù)合粘接劑；再將占聚合物纖維質(zhì)量的10%－60%的復(fù)合粘接劑加入到聚合物纖維中，用超聲波振蕩進(jìn)行分散，將復(fù)合粘接劑加入到聚合物纖維（濾嘴絲束）中；
2）采用“PlaTntex-SPA”噴絲板短程紡設(shè)備進(jìn)行紡絲。紡絲過程如下：聚合物纖維與碳納米管混合、熔融紡絲、一道上油、牽伸、二道上油、卷曲、熱定型、擺絲和打包成含碳納米管結(jié)構(gòu)的聚合物纖維濾嘴絲束；
紡絲條件：溫度240～250℃，卷繞速度400m/min；
拉伸與定型：拉伸溫度75℃，拉伸倍數(shù)6，定型溫度130℃，定型時間25分鐘，使碳納米管一端粘附或插入聚合物纖維內(nèi)，另一端游離在外，形成“毛毛蟲”形狀的含碳納米管的復(fù)合聚合物纖維。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述含碳納米管結(jié)構(gòu)的聚合物纖維，其特征在于：所述聚合物纖維為丙綸或醋酸纖維。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述含碳納米管結(jié)構(gòu)的聚合物纖維，其特征在于：所述一道上油和二道上油所上的油為甘油，占聚合物纖維的質(zhì)量比為0.1%。
